瑞薩ISL62391/ISL62392系列電源控制器：筆記本電腦電源設(shè)計(jì)的理想之選

引言

在筆記本電腦等電池供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，高效穩(wěn)定的電源供應(yīng)是至關(guān)重要的。瑞薩的ISL62391、ISL62392、ISL62391C和ISL62392C控制器，為這類(lèi)系統(tǒng)提供了出色的電源解決方案。本文將深入探討這些控制器的特點(diǎn)、工作原理以及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能為電子工程師們?cè)陔娫丛O(shè)計(jì)方面提供有價(jià)值的參考。

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產(chǎn)品概述

功能特性

ISL62391、ISL62392、ISL62391C和ISL62392C控制器專為電池供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠生成穩(wěn)定的電源電壓。它包含兩個(gè)可調(diào)節(jié)范圍為0.6V至5.5V的脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器，以及一個(gè)固定輸出3.3V、最大可提供100mA電流的線性穩(wěn)壓器（LDO3）。此外，該控制器還具備板載上電排序、電源良好（PGOOD）輸出、數(shù)字軟啟動(dòng)和內(nèi)部軟停止輸出放電等功能，可有效防止關(guān)機(jī)時(shí)出現(xiàn)負(fù)電壓。

控制方案

采用專利的 (R^{3}) PWM控制方案，提供低抖動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)負(fù)載瞬變具有快速響應(yīng)能力。通過(guò)周期拉伸不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）操作，提高了輕載效率。為消除音頻頻率應(yīng)用中的噪聲，還加入了超聲波DCM模式，將最小開(kāi)關(guān)頻率限制在28kHz。

過(guò)壓保護(hù)差異

ISL62391和ISL62391C采用三態(tài)過(guò)壓方案，而ISL62392和ISL62392C則采用軟撬棒方法，這是它們之間的主要區(qū)別。

封裝與工作溫度范圍

該系列產(chǎn)品采用28引腳4x4 TQFN封裝，可在 -40°C至 +100°C的擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)工作。

技術(shù)參數(shù)

絕對(duì)最大額定值

• VCC、PGOOD、PVCC至GND： -0.3V至 +7.0V
• VOUT1,2、FB1,2、FSET1,2： -0.3V至GND，VCC +0.3V
• BOOT1,2至PHASE1,2： -0.3V至 +7V
• UGATE1,2（DC）： -0.3V至PHASE1,2，BOOT1,2 +0.3V

推薦工作條件

輸入電壓范圍為5.5V至25V，在不同的使能條件下，有相應(yīng)的待機(jī)電流和閾值要求。例如，當(dāng)EN1 = EN2 = LDO3EN = 0時(shí)，待機(jī)電流典型值為6μA；PVCC POR閾值上升沿典型值為4.50V。

電氣規(guī)格

在 (VIN = 12V)、(EN = VCC)、(T_{A} = -40^{circ}C) 至 +100°C的條件下，具有一系列電氣參數(shù)。如參考電壓為0.6V，調(diào)節(jié)精度為±1%，頻率范圍為200kHz至600kHz等。

引腳功能描述

該系列產(chǎn)品共有28個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有特定的功能。例如：

• PGOOD：開(kāi)漏電源良好狀態(tài)輸出，通過(guò)100k電阻連接到VCC，當(dāng)所有輸出在規(guī)定范圍內(nèi)且無(wú)故障時(shí)輸出高電平。
• FSET1/2：用于設(shè)置開(kāi)關(guān)電源（SMPS）的開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)連接電阻到地進(jìn)行編程。
• FCCM：邏輯輸入，用于控制效率模式，高電平強(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM），低電平允許全不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM），浮空時(shí)為超聲波DCM操作。

工作原理

三輸出控制器

該系列產(chǎn)品可生成三個(gè)穩(wěn)壓輸出電壓，其中兩個(gè)由開(kāi)關(guān)電源（SMPS）產(chǎn)生，另一個(gè)由低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）產(chǎn)生。額外的5V LDO（PVCC）用于在操作期間為芯片供電，使得控制器能夠從單個(gè)電源（VIN）調(diào)節(jié)所有輸出，無(wú)需單獨(dú)的靜態(tài)電源。

調(diào)制器和開(kāi)關(guān)頻率

采用瑞薩的 (R^{3}) 技術(shù)，結(jié)合了固定頻率PWM和可變頻率滯回控制。該技術(shù)可根據(jù)輸入電壓和輸出負(fù)載瞬變同時(shí)影響PWM開(kāi)關(guān)頻率和PWM占空比。調(diào)制器合成一個(gè)交流信號(hào) (V{R})，其占空比由通過(guò)紋波電容 (C{R}) 的充放電電流決定。開(kāi)關(guān)頻率與 (V{R}) 的正負(fù)斜率的壓擺率成正比，與 (V{W}) 和 (V_{COMP}) 之間的電壓成反比。

上電復(fù)位

在VIN引腳電壓上升到上電復(fù)位（POR）閾值以上之前，控制器處于禁用狀態(tài)；當(dāng)VIN引腳電壓下降到POR閾值以下時(shí)，控制器也會(huì)被禁用。此外，還會(huì)監(jiān)測(cè)PVCC引腳電壓，如果其電壓低于4.2V，SMPS輸出將被關(guān)閉。

EN、軟啟動(dòng)和PGOOD

使用數(shù)字軟啟動(dòng)電路，以可預(yù)測(cè)的壓擺率將每個(gè)SMPS的輸出電壓斜坡上升到編程的調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)。當(dāng)EN引腳電壓高于其上升閾值時(shí)，PGOOD軟啟動(dòng)延遲開(kāi)始，輸出電壓開(kāi)始上升。PGOOD引腳用于指示轉(zhuǎn)換器是否能夠提供穩(wěn)壓電壓，當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，會(huì)拉低PGOOD引腳，向系統(tǒng)發(fā)出輸出電壓超出調(diào)節(jié)范圍的信號(hào)。

MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)輸出

具有內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)高端和低端N溝道MOSFET。低端柵極驅(qū)動(dòng)器針對(duì)低占空比應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，自適應(yīng)直通保護(hù)可防止柵極驅(qū)動(dòng)器輸出在相反的柵極驅(qū)動(dòng)器輸出降至約1V以下之前開(kāi)啟，典型死區(qū)時(shí)間為21ns。

二極管仿真

FCCM引腳可控制控制器的電源狀態(tài)。當(dāng)FCCM為高電平時(shí)，控制器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)以強(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）運(yùn)行，可提供最佳的瞬態(tài)響應(yīng)，但輕載功率損耗會(huì)增加；當(dāng)FCCM為低電平時(shí)，控制器在輕載時(shí)自動(dòng)進(jìn)入二極管仿真模式（DEM），以優(yōu)化整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的效率。

過(guò)流保護(hù)

過(guò)流保護(hù)（OCP）設(shè)定點(diǎn)通過(guò)連接在OCSET和PHASE引腳之間的電阻 (R_{OCSET}) 進(jìn)行編程。當(dāng)OCSET1引腳電壓高于ISEN1引腳電壓超過(guò)10μs時(shí)，控制器將宣布OCP故障。

過(guò)壓保護(hù)

當(dāng)FB引腳電壓高于過(guò)壓閾值超過(guò)2μs時(shí)，過(guò)壓保護(hù)（OVP）故障檢測(cè)電路觸發(fā)。ISL62391和ISL62391C在OVP故障時(shí)將PHASE節(jié)點(diǎn)三態(tài)化；ISL62392和ISL62392C則通過(guò)LGATE柵極驅(qū)動(dòng)器輸出對(duì)輸出電壓進(jìn)行軟撬棒保護(hù)。

欠壓保護(hù)

當(dāng)FB引腳電壓低于欠壓閾值超過(guò)2μs時(shí)，欠壓保護(hù)（UVP）故障檢測(cè)電路觸發(fā)，PGOOD引腳拉低，鎖定轉(zhuǎn)換器。

輸出電壓編程

通過(guò)連接在OUT和GND引腳之間的兩個(gè)電阻分壓器，可將輸出電壓編程為0.6V至5.5V。

補(bǔ)償設(shè)計(jì)

推薦使用Type-II補(bǔ)償電路，通過(guò)FB引腳作為誤差放大器的反相輸入，COMP信號(hào)為誤差放大器的輸出。Intersil提供基于PC的工具，可用于計(jì)算補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組件值并模擬環(huán)路頻率響應(yīng)。

3.3V線性穩(wěn)壓器

除了兩個(gè)SMPS輸出外，還提供一個(gè)固定3.3V的LDO輸出（LDO3），最大可提供100mA連續(xù)電流，具有180mA的電流限制功能。

熱監(jiān)測(cè)和保護(hù)

持續(xù)監(jiān)測(cè)芯片溫度，當(dāng)溫度超過(guò) +150°C時(shí)，所有輸出將關(guān)閉，直到結(jié)溫降至 +135°C以下。

應(yīng)用設(shè)計(jì)指南

選擇LC輸出濾波器

理想降壓轉(zhuǎn)換器的占空比與輸入和輸出電壓有關(guān)。輸出電感的峰峰值紋波電流可根據(jù)公式計(jì)算，通常選擇峰峰值紋波電流為最大直流輸出負(fù)載電流的20%至40%。同時(shí)，需要考慮電感的直流銅損和飽和特性，以及輸出電容的ESR和紋波電壓。

選擇輸入電容

輸入電容的重要參數(shù)是電壓額定值和RMS電流額定值，應(yīng)選擇電壓和電流額定值高于最大輸入電壓且能夠提供開(kāi)關(guān)電路所需RMS電流的電容。

MOSFET選擇和考慮因素

MOSFET的最大VDS額定值應(yīng)超過(guò)輸入電源的上電壓容差和MOSFET關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰之和。高端MOSFET應(yīng)強(qiáng)調(diào)低柵極電荷，低端MOSFET應(yīng)強(qiáng)調(diào)低 (r_{DS(ON)})。

選擇自舉電容

自舉電容的選擇可根據(jù)公式計(jì)算，通常選擇計(jì)算值兩倍的電容，建議使用X7R或X5R陶瓷電容。

布局考慮

功率應(yīng)位于PCB的底層，弱模擬或邏輯信號(hào)位于頂層，接地平面層應(yīng)與頂層相鄰以提供屏蔽。兩個(gè)SMPS輸出的功率電路應(yīng)對(duì)稱布局，確?？刂破髟陉P(guān)鍵開(kāi)關(guān)決策時(shí)不會(huì)偏向某一通道。

總結(jié)

瑞薩的ISL62391、ISL62392、ISL62391C和ISL62392C控制器為筆記本電腦等電池供電系統(tǒng)提供了高效、穩(wěn)定的電源解決方案。其豐富的功能特性、先進(jìn)的控制方案以及完善的保護(hù)機(jī)制，使得它在電源設(shè)計(jì)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。電子工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)具體需求，結(jié)合上述的應(yīng)用設(shè)計(jì)指南，充分發(fā)揮該系列控制器的性能，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的電源設(shè)計(jì)。

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