使用 ISL6160 和 HIP6006 ICs 設(shè)計(jì) InfiniBand Class I 電源

在高性能、交換式互連系統(tǒng)不斷發(fā)展的今天，InfiniBand 架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，它為連接高端服務(wù)器、I/O 子系統(tǒng)、路由器和交換機(jī)提供了高性能、可靠且可擴(kuò)展的解決方案。本文將詳細(xì)介紹如何使用 Intersil 的 ISL6160 和 HIP6006 ICs 設(shè)計(jì) InfiniBand Class I 電源。

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核心組件概述

ISL6160

ISL6160 是一款專為 InfiniBand I/O 模塊（IM）的電源排序、控制和保護(hù)而設(shè)計(jì)的芯片。它能夠獨(dú)立控制單個(gè)端口的 VB（+12V）和 VA（+5V）電源軌，適用于 IB Class I（非隔離）和 Class II（隔離）電源拓?fù)鋺?yīng)用。

ISL6160EVAL2 評(píng)估平臺(tái)

Intersil 提供的 ISL6160EVAL2 是一個(gè)完整的 InfiniBand Class I 電源拓?fù)湓u(píng)估平臺(tái)，展示了 ISL6160 和 HIP6006 單輸出 PWM 控制器的工作原理。該平臺(tái)輸出為 5V，最大輸出電流為 3.5A，效率可達(dá) 85%，面積僅 1.6 平方英寸。

評(píng)估板使用方法

硬件連接

ISL6160EVAL2 由總線板和負(fù)載板組成，分別代表 IB 機(jī)箱和 IM。負(fù)載板通過交錯(cuò)長(zhǎng)度的連接器引腳熱插入總線板的插座，先連接 VX_RET，再連接 VX，最后最短的引腳模擬 VBx_En_L 線連接。

VB 電源控制

當(dāng) VB_In 連接后，電路的 VB 控制部分被偏置，但 VB 次級(jí)軌（TP1）直到 ISL6160 的 VB_ON 引腳被置高才會(huì)開啟。本地電源使能信號(hào)可以通過 LCL_PWR_EN 跳線設(shè)置為硬連接高電平，或者移除跳線通過外部輸入信號(hào)（TP6）提供。當(dāng) VB_ON 被置高時(shí)，ISL6160 以軟啟動(dòng)模式開啟 VB 次級(jí)軌，保護(hù)主電源軌免受突然的浪涌電流影響。

VA 電源控制

ISL6160 的 VA 欠壓鎖定功能可防止 VA 在 (VA_In >2.5 ~V) 之前開啟，然后啟用 VA 軟啟動(dòng)和上電。VA 輸出電壓以電流限制的斜坡上升，限制了浪涌電流和電壓斜率，減少了電源下垂，無(wú)需額外的外部 EMI 濾波器。在運(yùn)行過程中，一旦檢測(cè)到 VA 過流（OC）情況，輸出電流將被限制為 1A，持續(xù) 12ms，以允許瞬態(tài)條件過去。如果過流情況仍然存在，輸出將被鎖存關(guān)閉，直到 IM 從機(jī)箱背板斷開并重新連接。

DC - DC 轉(zhuǎn)換器控制

當(dāng) VB_ON（TP7）被置高，DC - DC En 引腳（TP2）被拉高到 VB，通過 R4、R15 和 C14 的 RC 網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)置 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的使能信號(hào)電平和平滑度，從而定制 DC - DC 啟用的時(shí)間。一旦 DC - DC 啟用，輸出（TP3）將上升到 5V。

評(píng)估板性能表現(xiàn)

效率

從圖 6 可以看出，ISL6160EVAL2 的效率與負(fù)載電流有關(guān)。在較高負(fù)載電流下，開關(guān)調(diào)節(jié)器顯示出明顯的效率優(yōu)勢(shì)。該評(píng)估板的設(shè)計(jì)電流限制約為 3.5A，曲線表明在輸出電流約為 4.5A 和輸入功率約為 25W 時(shí)，效率達(dá)到最大值。要提高 ISL6160 相關(guān)的效率，可以降低 VB FET（Q3）開關(guān)的 RDSon 和感測(cè)電阻上的閾值電壓。

瞬態(tài)響應(yīng)

圖 7 顯示了 ISL6160EVAL2 在 0 - 3.5A、250A/ms 負(fù)載瞬變下的實(shí)驗(yàn)室示波器波形。輸出電壓響應(yīng)迅速，在不到 150μs 內(nèi)恢復(fù)到標(biāo)稱值的 2% 以內(nèi)。

輸出電流和電壓紋波

圖 8 展示了 HIP6160EVAL2 在負(fù)載電流為 3.5A 時(shí)的輸出電流和電壓紋波情況，此時(shí)峰 - 峰電壓紋波約為 60mV。

OC 保護(hù)

ISL6160 OC 保護(hù)

ISL6160EVAL2 設(shè)計(jì)為將輸入電流限制在 2.8A，以滿足 25W 端口的最大指定峰值電流要求。當(dāng)輸出電流超過 3.5A 時(shí)，輸入電流紋波峰值增加并被限制在 2.8A，此時(shí) ISL6160 會(huì)降低 Q3 柵極驅(qū)動(dòng)以進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，保護(hù) VB 主電源軌。

HIP6006 OC 保護(hù)

HIP6006 具有無(wú)損過流保護(hù)功能，通過監(jiān)測(cè)上 MOSFET（圖 11 原理圖中的 Q2a）兩端的壓降來(lái)感測(cè)轉(zhuǎn)換器負(fù)載電流，無(wú)需電流感測(cè)電阻，提高了轉(zhuǎn)換器效率并降低了成本。過流功能以打嗝模式循環(huán)軟啟動(dòng)功能，提供故障保護(hù)。通過電阻（ROCSET，R6）可以編程過流跳閘電平。當(dāng)檢測(cè)到過流時(shí)，軟啟動(dòng)功能會(huì)放電 (C{SS}) 并抑制 PWM 操作，然后重新充電 (C{SS}) 并恢復(fù) PWM 操作。

電源設(shè)計(jì)考慮因素

輸入電容選擇

使用 HIP6006 輸入（VB 次級(jí)軌）旁路電容的組合來(lái)控制 MOSFET 兩端的電壓過沖。小陶瓷電容用于高頻去耦，大容量電容在 Q1 每次導(dǎo)通時(shí)提供所需電流。輸入電容的數(shù)量和電容值通常由其最大 RMS 電流額定值決定。

MOSFET 選擇對(duì)效率的影響

圖 10 顯示，較小的 RFP25N05 MOSFET 在大多數(shù)線路和負(fù)載范圍內(nèi)比更大的 RFP45N06 MOSFET 更高效。這表明在選擇 MOSFET 時(shí)，需要同時(shí)考慮開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。

輸出電壓設(shè)置

通過簡(jiǎn)單改變電阻值，可以實(shí)現(xiàn)低至 1.3V 或高達(dá) 12V 輸入電壓的輸出。穩(wěn)態(tài)直流輸出電壓可以使用公式 (V{OUT }=V{REF } cdotleft(1+frac{R 8}{R 5}right)) 設(shè)置，其中 (V_{REF}) 通常為 1.27V。

輸出電容選擇

輸出電容需要滿足濾波和提供負(fù)載瞬態(tài)電流的要求。濾波要求與開關(guān)頻率和紋波電流有關(guān)，負(fù)載瞬態(tài)要求與電流變化率（di/dt）和瞬態(tài)負(fù)載電流大小有關(guān)。通常需要使用多種電容并進(jìn)行合理布局來(lái)滿足這些要求。

輸出電感選擇

輸出電感的選擇要滿足輸出電壓紋波要求，并最小化轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載瞬變的響應(yīng)時(shí)間。增加電感值可以降低紋波電流和電壓，但會(huì)減慢轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載瞬變的響應(yīng)速度。

總結(jié)

ISL6160EVAL2 評(píng)估板非常適合評(píng)估完整的單固定電壓 IB Class I 電源，并為特定的 IM 電源控制和供應(yīng)需求提供概念性平臺(tái)。此外，Intersil 還提供了如 IPM6220A 等多輸出電壓轉(zhuǎn)換器，與 ISL6160 配合使用，幾乎可以滿足所有 InfiniBand I/O 模塊的應(yīng)用需求。各位工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中，是否也遇到過類似的電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。