基于ISL8118的PWM控制器評(píng)估板設(shè)計(jì)與性能分析

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，開關(guān)電源的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。ISL8118作為一款單相同步降壓轉(zhuǎn)換器的PWM控制器，具有集成MOSFET驅(qū)動(dòng)器，能在3.3V至20V偏置電源電壓下工作。其采用電壓模式操作和輸入電壓前饋補(bǔ)償，可在寬輸入電壓范圍內(nèi)保持恒定的環(huán)路增益，提供出色的瞬態(tài)響應(yīng)。今天，我們就來(lái)深入探討基于ISL8118的評(píng)估板設(shè)計(jì)及性能。

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ISL8118參考設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)步驟與元件選擇

輸出電感選擇

輸出電感的選擇取決于所需的電感紋波電流，通常設(shè)置為額定輸出電流的35%左右。通過(guò)公式 (L =frac{V{IN}-V{OUT }}{Delta I} × frac{V{OUT }}{V{IN }} × frac{1}{F_{SW}}) 計(jì)算，在評(píng)估板中，選用了0.68μH、DCR為1.6m?的電感（Vishay的IHLP5050FD - R68），電感中的傳導(dǎo)損耗約為1W。

輸出電容選擇

輸出電容一般根據(jù)輸出電壓紋波和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)要求來(lái)選擇。ESR和電容電荷是影響輸出電壓紋波的主要因素。為滿足30mV的輸出電壓紋波要求，有效ESR應(yīng)小于3.5m?。在瞬態(tài)負(fù)載下，輸出電壓響應(yīng)受ESL、ESR和輸出電容的影響。當(dāng) (V{IN } gg V{OUT }) 時(shí)，電壓波動(dòng)幅度可通過(guò)公式 (Delta V=frac{L cdot I{tran }^{2}}{C{OUT } cdot V_{OUT }}) 近似計(jì)算。評(píng)估板中采用了五個(gè)Sanyo的6TPF330M9L電容。

輸入電容選擇

輸入大容量電容的選擇標(biāo)準(zhǔn)基于電容值和RMS電流能力。輸入電容的RMS電流額定要求可通過(guò)公式近似計(jì)算。在本應(yīng)用中，輸入電容的RMS電流為8.98A，因此使用了兩個(gè)Nippon Chemi - con的EKZE350ELL561MJ25S電容。同時(shí)，還需要小陶瓷電容進(jìn)行高頻去耦，以控制MOSFET兩端的電壓過(guò)沖。

MOSFET選擇

ISL8118需要兩個(gè)N溝道功率MOSFET作為主開關(guān)和同步開關(guān)。應(yīng)根據(jù) (r{DS(ON)})、柵極電源要求和熱管理要求進(jìn)行選擇。MOSFET的總功率損耗包括傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。在小占空比設(shè)計(jì)中，為優(yōu)化轉(zhuǎn)換器效率，應(yīng)選擇柵極電荷低的高端MOSFET以實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)過(guò)渡，選擇 (r{DS(ON)}) 低的低端MOSFET。評(píng)估板中高端MOSFET選用了兩個(gè)Infineon的BSC059N04LS，低端MOSFET選用了兩個(gè)Infineon的BSC018N04LS。

過(guò)流保護(hù)設(shè)置

ISL8118通過(guò)監(jiān)測(cè)高端和低端MOSFET來(lái)檢測(cè)過(guò)流事件。雙傳感功能使其能在寬輸入范圍內(nèi)的極低和極高占空比下檢測(cè)過(guò)流故障。

低端過(guò)流保護(hù)（BOTTOM SIDE OCP）

通過(guò)在BSOC引腳和低端MOSFET源極之間連接電阻 (R{BSOC}) 和電容 (C{BSOC}) 來(lái)設(shè)置低端源極和吸收電流限制。電容 (C{BSOC}) 應(yīng)使用1000pF或更大的值與 (R{BSOC}) 并聯(lián)。通過(guò)公式 (R{BSOC}=frac{left(I{OC_SOURCE }+frac{Delta I}{2}right) cdot r{DS(ON)}|{BFET }}{I{BSOC } cdot N{B}}) 確定 (R{BSOC}) 的值，以避免在正常工作負(fù)載范圍內(nèi)過(guò)流跳閘。在評(píng)估板中，使用兩個(gè)Infineon的BSC018N04LS作為低端MOSFET，(R{BSOC}) 為511?，低端過(guò)流跳閘點(diǎn)約設(shè)置為35A。

高端過(guò)流保護(hù)（TOP SIDE OCP）

通過(guò)在TSOC引腳和高端MOSFET漏極之間連接電阻 (R{TSOC}) 和電容 (C{TSOC}) 來(lái)設(shè)置高端源極電流限制。電容 (C{TSOC}) 應(yīng)使用1000pF或更大的值與 (R{TSOC}) 并聯(lián)。通過(guò)公式 (R{TSOC}=frac{left(I{OC_SOURCE }+frac{Delta I}{2}right) cdot r{DS(ON)}|{TFET }}{I{TSOC } cdot N{T}}) 確定 (R{TSOC}) 的值。在評(píng)估板中，使用兩個(gè)Infineon的BSC059N04LS作為高端MOSFET，(R{TSOC}) 為1.59k?，高端過(guò)流跳閘點(diǎn)約設(shè)置為35A。

電壓裕度調(diào)整

當(dāng)MARGIN引腳拉高或拉低時(shí)，分別啟用正或負(fù)裕度功能。當(dāng)MARGIN引腳浮空時(shí)，該功能禁用。通過(guò)內(nèi)部緩沖器和電阻分壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓裕度調(diào)整，電壓差通過(guò)儀表放大器檢測(cè)并按5:1的比例轉(zhuǎn)換為所需的裕度電壓。

輸入欠壓鎖定（UVLO）設(shè)置

通過(guò)使能引腳監(jiān)測(cè)輸入電壓，利用內(nèi)部10?A吸收電流和外部電阻分壓器實(shí)現(xiàn)可編程使能的遲滯。若要使ISL8118在輸入電壓為4.2V且具有0.5V遲滯時(shí)啟用，可通過(guò)公式 (R{up}=frac{V{EN_HYS}}{I_{EN_HYS}}=49.9 k Omega) 計(jì)算電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。

反饋補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

推薦使用Type - III網(wǎng)絡(luò)來(lái)補(bǔ)償反饋環(huán)路。根據(jù)所選的電感和輸出電容，可總結(jié)出功率級(jí)的極點(diǎn)和零點(diǎn)。通過(guò)一系列公式計(jì)算相關(guān)元件的值，如 (R{OS})、(R{2})、(C{1})、(C{2}) 和 (R_{3}) 等。更詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明可參考TB417 “Designing Stable Compensation Networks for Single Phase Voltage Mode Buck Regulators”。

評(píng)估板性能

啟動(dòng)特性

當(dāng)ISL8118的 (V{CC})、(V{FF}) 和EN引腳電壓超過(guò)其上升POR閾值時(shí)，一個(gè)38A的電流源驅(qū)動(dòng)SS引腳。在軟啟動(dòng)過(guò)程中，若輸出預(yù)偏置到低于預(yù)期值的電壓，ISL8118會(huì)檢測(cè)到該情況，直到COMP信號(hào)超過(guò)振蕩器斜坡底部才激活驅(qū)動(dòng)器，從而減少輸出瞬態(tài)。

輸出紋波

評(píng)估板的輸出紋波電壓如圖所示，可直觀看到其紋波特性。

瞬態(tài)性能

當(dāng)負(fù)載在0A至25A之間以1A/μs的速率變化時(shí)，輸出電壓的響應(yīng)如圖所示，展示了評(píng)估板在瞬態(tài)負(fù)載下的性能。

效率

基于ISL8118的調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)高效系統(tǒng)設(shè)計(jì)。評(píng)估板在12V輸入電源下的效率如圖所示，可清晰看到不同輸出電流下的效率情況。

總結(jié)

通過(guò)對(duì)ISL8118評(píng)估板的設(shè)計(jì)和性能分析，我們可以看到該控制器在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)。合理的元件選擇和參數(shù)設(shè)置能確保評(píng)估板在寬輸入電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)和效率。各位工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可根據(jù)具體需求對(duì)元件和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。大家在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到過(guò)哪些類似的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。