深入解析ISL6721：靈活的單端電流模式PWM控制器

控制器概述

ISL6721是一款低功耗、單端脈沖寬度調(diào)制（PWM）電流模式控制器，專為廣泛的DC/DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用而設(shè)計(jì)，包括升壓、反激和隔離輸出配置。它采用峰值電流模式控制，能有效處理電源瞬變，并提供固有的過流保護(hù)。其先進(jìn)的BiCMOS設(shè)計(jì)具有低工作電流、高達(dá)1MHz的可調(diào)工作頻率、可調(diào)軟啟動(dòng)以及雙向同步信號等特點(diǎn)。

文件下載：ISL6721EVAL1.pdf

應(yīng)用領(lǐng)域

• 電信和數(shù)據(jù)通信電源
• 無線基站電源
• 文件服務(wù)器電源
• 工業(yè)電源系統(tǒng)
• 隔離降壓和反激調(diào)節(jié)器
• 升壓調(diào)節(jié)器

主要特性

• 1A MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器
• 100μA啟動(dòng)電流
• 采用峰值電流模式控制實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)
• 可調(diào)開關(guān)頻率高達(dá)1MHz
• 雙向同步功能
• 低功耗禁用模式
• 過壓和過流關(guān)斷故障后的延遲重啟
• 可調(diào)斜率補(bǔ)償
• 可調(diào)軟啟動(dòng)
• 可調(diào)過流關(guān)斷閾值
• 可調(diào)欠壓和過壓監(jiān)測
• 前沿消隱
• 集成熱關(guān)斷
• 1%容差電壓基準(zhǔn)
• 無鉛可選（符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)）

電氣特性

絕對最大額定值

熱信息

工作條件

• 溫度范圍：ISL6721Ax為 -40°C 至 +105°C
• 電源電壓范圍（典型值）：9VDC 至 18VDC

電氣規(guī)格

涵蓋欠壓鎖定、參考電壓、電流檢測、誤差放大器、振蕩器、同步、軟啟動(dòng)、斜率補(bǔ)償、柵極輸出、過流保護(hù)、過壓和欠壓監(jiān)測以及熱保護(hù)等方面的詳細(xì)參數(shù)。例如，欠壓鎖定的啟動(dòng)閾值為7.95 - 8.55V，停止閾值為7.40 - 8.20V；參考電壓在不同溫度范圍內(nèi)的精度有所不同。

引腳功能

SLOPE

用于增加ISENSE斜坡斜率，以提高噪聲免疫力或改善占空比大于50%時(shí)的控制環(huán)路穩(wěn)定性。內(nèi)部電流源在每個(gè)開關(guān)周期對外部電容充電至GND，產(chǎn)生的斜坡按比例添加到ISENSE信號中。

SYNC

雙向同步信號，用于協(xié)調(diào)多個(gè)單元的開關(guān)頻率。可通過連接各單元的SYNC信號或使用外部主時(shí)鐘信號實(shí)現(xiàn)同步。即使使用外部時(shí)鐘，仍需要振蕩器定時(shí)電容 (C_{T}) 。

RTCT

振蕩器定時(shí)控制引腳。通過在VREF和該引腳之間連接電阻 (R{T}) ，以及從該引腳到LGND連接定時(shí)電容 (C{T}) ，可設(shè)置工作頻率和最大占空比。

COMP

誤差放大器的輸出和PWM比較器的輸入?？刂骗h(huán)路頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接在COMP和FB引腳之間。

FB

反饋電壓輸入，連接到誤差放大器的反相輸入。當(dāng)FB輸入小于2.0V時(shí)，電流檢測前沿消隱功能禁用。

OV 和 UV

分別為過壓和欠壓監(jiān)測輸入引腳，與內(nèi)部參考電壓比較以檢測相應(yīng)的異常情況。

ISENSE

電流檢測比較器的輸入。IC有兩個(gè)電流檢測比較器，分別用于峰值電流模式控制和過流保護(hù)。過流比較器閾值可通過ISET引腳調(diào)節(jié)。

LGND 和 PGND

LGND是所有模擬功能的小信號參考地，PGND為輸出柵極驅(qū)動(dòng)器提供專用接地。兩者應(yīng)通過靠近IC的短印刷電路板走線外部連接。

GATE

器件輸出，是一個(gè)高電流功率驅(qū)動(dòng)器，能夠以1.0A的峰值電流驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的柵極。當(dāng)VCC低于UVLO閾值時(shí)，GATE輸出被主動(dòng)拉低。

VC

用于輸出柵極驅(qū)動(dòng)的單獨(dú)集電極電源。單獨(dú)的VC和PGND有助于將IC的模擬電路與高功率柵極驅(qū)動(dòng)噪聲解耦。

VCC

器件的電源連接。靜態(tài)電流ICC較低，但取決于工作頻率。為優(yōu)化噪聲免疫力，應(yīng)使用陶瓷電容盡可能靠近VCC和LGND引腳進(jìn)行旁路。

VREF

5V參考電壓輸出。使用0.01μF或更大的電容旁路到LGND以過濾該輸出。

SS

連接軟啟動(dòng)電容到LGND，以控制軟啟動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。電容值決定了啟動(dòng)期間占空比的增加速率，也控制過流關(guān)斷延遲。

ISET

施加0.35V至1.2V的直流電壓到該輸入，可設(shè)置逐脈沖過流閾值。

功能描述

振蕩器

ISL6721具有一個(gè)鋸齒波振蕩器，可編程頻率范圍可達(dá)1MHz，可通過RTCT引腳的電阻和電容進(jìn)行編程。

同步實(shí)現(xiàn)

振蕩器可通過SYNC引腳同步到外部時(shí)鐘，或通過連接多個(gè)IC的SYNC引腳實(shí)現(xiàn)同步。外部主時(shí)鐘信號的頻率至少應(yīng)為振蕩器自由運(yùn)行頻率的65%，且脈沖寬度應(yīng)大于20ns。

軟啟動(dòng)操作

采用外部電容和內(nèi)部電流源實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，可減少啟動(dòng)期間的電壓應(yīng)力和浪涌電流。啟動(dòng)時(shí)，軟啟動(dòng)電路將誤差放大器輸出（COMP引腳）鉗位到與軟啟動(dòng)電壓成比例的值，隨著軟啟動(dòng)電容電壓上升，輸出脈沖寬度從0增加到穩(wěn)態(tài)工作占空比。

柵極驅(qū)動(dòng)

能夠提供和吸收1A的峰值電流。單獨(dú)的集電極電源（VC）和功率地（PGND）引腳有助于將IC的模擬電路與高功率柵極驅(qū)動(dòng)噪聲隔離。

斜率補(bǔ)償

對于占空比小于50%的應(yīng)用，斜率補(bǔ)償可提高噪聲免疫力；對于占空比大于50%的應(yīng)用，斜率補(bǔ)償是防止不穩(wěn)定所必需的。

過壓和欠壓監(jiān)測

OV和UV信號輸入到窗口比較器，用于監(jiān)測轉(zhuǎn)換器的輸入電壓水平。如果電壓超出用戶指定的工作范圍，將發(fā)生關(guān)斷故障。

過流操作

過流閾值由ISET引腳的電壓設(shè)置。當(dāng)檢測到過流情況時(shí)，軟啟動(dòng)充電電流源禁用，放電電流源啟用，軟啟動(dòng)電容開始放電。如果放電到4.375V以下，輸出將被禁用，Icc降至200μA約295ms，然后啟動(dòng)新的軟啟動(dòng)周期。

前沿消隱

ISENSE輸入的電流反饋信號的初始100ns被前沿消隱電路去除，防止電源寄生元件產(chǎn)生的電流尖峰導(dǎo)致PWM比較器和過流比較器誤觸發(fā)。

故障條件

當(dāng)VREF低于4.65V、OV輸入超過2.50V、UV輸入低于1.45V或管芯結(jié)溫超過約+130°C時(shí)，將發(fā)生故障。檢測到故障時(shí)，GATE輸出被禁用，軟啟動(dòng)電容快速放電。

設(shè)計(jì)應(yīng)用

參考設(shè)計(jì)

“典型升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用原理圖”展示了ISL6721在傳統(tǒng)雙輸出10W不連續(xù)模式反激式DC/DC轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用。輸入電壓范圍為36VDC至75VDC，兩個(gè)輸出分別為3.3V/2.5A和1.8V/1.0A。

電路元件描述

包括輸入存儲(chǔ)和濾波電容、隔離變壓器、初級電壓鉗位、啟動(dòng)偏置調(diào)節(jié)器、工作偏置和調(diào)節(jié)器、主MOSFET功率開關(guān)、電流檢測網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)、控制電路、輸出整流和濾波以及次級緩沖器等。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

• 開關(guān)頻率：200kHz
• 輸入電壓 (V_{IN}) ：36V至75V
• 輸出電壓 (V{OUT(1)}) ：3.3V/2.5A， (V{OUT(2)}) ：1.8V/1.0A， (V_{OUT(BIAS)}) ：12V/50mA
• 輸出功率 (P_{out}) ：10W
• 效率：70%
• 最大占空比 (D_{MAX}) ：0.45

變壓器設(shè)計(jì)

是一個(gè)迭代過程，需要考慮多個(gè)因素，如核心幾何形狀、核心材料、最大磁通密度、核心尺寸、匝數(shù)、匝數(shù)比、線規(guī)、繞組順序和絕緣要求等。

功率MOSFET選擇

需要考慮應(yīng)用中遇到的電壓和電流應(yīng)力、器件的功耗、尺寸和成本等因素。

輸出濾波器設(shè)計(jì)

主要關(guān)注輸出濾波器電容的紋波電流應(yīng)力以及輸出的紋波和噪聲規(guī)格。

控制環(huán)路設(shè)計(jì)

反饋控制環(huán)路的主要組件包括可編程并聯(lián)穩(wěn)壓器、光耦合器和ISL6721的反相放大器。環(huán)路補(bǔ)償圍繞轉(zhuǎn)換器次級側(cè)的誤差放大器進(jìn)行。

總結(jié)

ISL6721是一款功能強(qiáng)大、特性豐富的單端電流模式PWM控制器，適用于多種DC/DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過程中，需要綜合考慮各個(gè)方面的因素，包括電氣特性、引腳功能、功能描述以及具體的設(shè)計(jì)應(yīng)用等，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。你在使用ISL6721進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，是否也遇到過一些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。