ISL6308AEVAL1Z：三相降壓轉(zhuǎn)換器評估板的深度解析

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)的眾多領(lǐng)域，如DDR/芯片組核心電壓調(diào)節(jié)器、高電流低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器、FPGA/ASIC DC/DC轉(zhuǎn)換器等，對電源管理IC制造商提出了越來越高的要求。ISL6308A作為一款集成高電流MOSFET驅(qū)動器的三相PWM控制IC，為這些應(yīng)用提供了節(jié)省空間和成本的解決方案。而ISL6308AEVAL1Z評估板則是對ISL6308A進(jìn)行快速評估的理想工具。

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1. ISL6308A芯片特點(diǎn)

1.1 集成設(shè)計(jì)

ISL6308A將5V - 12V高電流MOSFET驅(qū)動器集成到控制器IC中，與以往多相產(chǎn)品系列的獨(dú)立PWM控制器和驅(qū)動器配置不同。這種集成減少了外部部件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了成本和空間的節(jié)省。

1.2 輸出電壓編程

輸出電壓可以使用片上DAC或外部精密參考進(jìn)行編程。通過2位代碼可將DAC參考設(shè)置為4個可能值（0.6V、0.9V、1.2V和1.5V）之一。同時，提供單位增益差分放大器用于遠(yuǎn)程電壓感應(yīng)，補(bǔ)償遠(yuǎn)程和本地接地之間的電位差，還可通過單個外部電阻對輸出電壓進(jìn)行偏移。

1.3 獨(dú)特的電流傳感方式

采用DCR和rDS(ON)電流傳感相結(jié)合的方式。通過連續(xù)電感DCR電流傳感實(shí)現(xiàn)負(fù)載線電壓定位和過流保護(hù)，而rDS(ON)電流傳感用于精確的通道電流平衡，充分利用了兩種技術(shù)的優(yōu)勢。

1.4 保護(hù)功能

具備一套復(fù)雜的過壓和過流保護(hù)功能。過壓時，轉(zhuǎn)換器會打開下MOSFET以鉗位上升的輸出電壓，保護(hù)負(fù)載，并提供OVP輸出驅(qū)動可選的撬棒裝置。過流保護(hù)水平通過單個外部電阻設(shè)置，還具備對遠(yuǎn)程傳感輸入開路的保護(hù)功能。

2. ISL6308AEVAL1Z評估板設(shè)計(jì)

2.1 基本配置

評估套件包括ISL6308AEVAL1Z評估板、ISL6308A數(shù)據(jù)手冊和本應(yīng)用筆記。評估板針對無下垂的三相操作進(jìn)行了優(yōu)化，標(biāo)稱輸出電壓為1.5V（DIP開關(guān)U2設(shè)置為11位置），最大輸出電流為90A。

2.2 功能特點(diǎn)

• 測試點(diǎn)和DIP開關(guān)：提供方便的測試點(diǎn)，以及用于DAC（REF）電壓選擇的DIP開關(guān)，可從4個可能值（0.6V、0.9V、1.2V和1.5V）中選擇。
• 輸出電壓調(diào)整：設(shè)有電阻分壓器的占位符，可將輸出電壓調(diào)整至最高2.3V。
• 瞬態(tài)負(fù)載發(fā)生器：板載瞬態(tài)負(fù)載發(fā)生器，便于評估過程。
• 狀態(tài)指示：板載LED用于指示PGOOD信號的狀態(tài)。

2.3 電路板設(shè)計(jì)

印刷電路板采用6層、2盎司銅設(shè)計(jì)，文檔末尾提供了布局圖和零件清單。

3. 快速啟動評估

3.1 準(zhǔn)備工作

在對評估板進(jìn)行任何操作之前，確?！癊nable”開關(guān)（S1）處于禁用位置，“Transient Load Generator”開關(guān)（S2）處于負(fù)載關(guān)閉位置。

3.2 電源連接

• 連接一個12V、15A的實(shí)驗(yàn)室電源到J7和J8之間，為VIN和PVCC供電。
• 連接一個5V、1A的實(shí)驗(yàn)室電源到J23和GND之間，為VCC偏置（如果板配置為5V PVCC，也為PVCC偏置）。

3.3 REF設(shè)置

將“REF Selection” DIP開關(guān)（U2）設(shè)置為11，對應(yīng)DAC = REF = 1.5V。

3.4 負(fù)載連接

在VOUT端子（J1、J2）和GND端子（J3、J4）之間連接負(fù)載（電阻性或電子負(fù)載）。

3.5 啟動調(diào)節(jié)

將“Enable”開關(guān)（S1）移動到啟用位置，釋放IC ENLL引腳，開始調(diào)節(jié)。此時，ISL6308AEVAL1Z應(yīng)調(diào)節(jié)輸出電壓至REF電壓，“PGOOD Indicator” LED（D1）應(yīng)變?yōu)榫G色，表示調(diào)節(jié)器正常工作。

4. 評估板特性

4.1 輸入電源連接

ISL6308AEVAL1Z允許使用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室電源為板供電，提供兩個香蕉插孔用于連接電源。連接+5V端子到P23，+12V端子到J7，公共接地到J8。供電時不需要電壓排序。

4.2 輸出電源連接

輸出可以使用電阻性或電子負(fù)載進(jìn)行測試，銅合金端子用于負(fù)載連接。將正負(fù)載連接到VOUT（J1和J2），負(fù)負(fù)載連接到接地（J3和J4），屏蔽示波器探頭測試點(diǎn)J5可用于檢查輸出電壓VOUT。

4.3 REF和VOUT設(shè)置

REF DIP開關(guān)預(yù)設(shè)為11（1.5V），也可通過不同代碼選擇1.2V、0.9V和0.6V輸出。如果需要不同的輸出電壓，可使用由R90和R81組成的輸出電阻分壓器。

4.4 PVCC電源選項(xiàng)

ISL6308A的集成驅(qū)動器具有可變柵極驅(qū)動偏置，柵極驅(qū)動電壓可在+5V到+12V之間選擇，通過將所需電壓連接到控制器的PVCC引腳即可。評估板支持多種PVCC電壓選項(xiàng)，通過填充或移除某些電阻來切換不同電壓。

4.5 啟用控制器

要啟用控制器，需為板供電，設(shè)置REF（DAC）代碼，設(shè)置PVCC和VCC電壓。完成這些步驟后，將“ENABLE”開關(guān)（S1）切換到啟用位置，控制器將開始數(shù)字軟啟動序列，輸出電壓升至編程設(shè)置，PGOOD指示燈從紅色變?yōu)榫G色。

4.6 板載負(fù)載瞬態(tài)發(fā)生器

大多數(shù)臺式電子負(fù)載無法產(chǎn)生模擬現(xiàn)代負(fù)載所需的電流變化率，因此評估板提供了離散瞬態(tài)負(fù)載發(fā)生器。該發(fā)生器產(chǎn)生持續(xù)550μs、周期為70ms的負(fù)載脈沖，脈沖幅度約為30A，上升和下降變化率約為50A/μs。如果DAC代碼改變，需調(diào)整瞬態(tài)發(fā)生器的動態(tài)特性。

4.7 電感DCR靜態(tài)電流檢測點(diǎn)

ISL6308AEVAL1Z的一個獨(dú)特功能是能夠通過萬用表測量每個通道電感DCR上的電壓降。通過在每個電感上并聯(lián)一個電容和電阻串聯(lián)電路來實(shí)現(xiàn)，該電路時間常數(shù)很大，只能用于測量靜態(tài)電流。

5. 評估板設(shè)計(jì)修改

5.1 電流平衡電阻

ISL6308A使用下MOSFET rDS(ON)電流傳感來測量每個通道的電流并進(jìn)行平衡。如果更換了下MOSFET，應(yīng)相應(yīng)更改電流平衡電阻R18 - R20，以調(diào)整rDS(ON)的變化。

5.2 負(fù)載線（下垂）調(diào)節(jié)

ISL6308A具有可選的下垂功能，評估板設(shè)計(jì)針對無下垂情況進(jìn)行了優(yōu)化。選擇下垂選項(xiàng)時，需重新計(jì)算補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)最佳環(huán)路響應(yīng)和穩(wěn)定性。

5.3 過流保護(hù)水平

ISL6308A使用單個電阻設(shè)置IC過流保護(hù)電路的最大電流水平，可參考數(shù)據(jù)手冊中的“Overcurrent Protection”部分，調(diào)整電阻R11以設(shè)置所需的過流跳閘水平。

5.4 輸出電壓偏移

ISL6308A允許設(shè)計(jì)者精確地對輸出電壓進(jìn)行正負(fù)偏移，只需在OFS和VCC引腳之間或OFS引腳和GND之間連接一個電阻。評估板上提供了這兩種電阻選項(xiàng)。

5.5 開關(guān)頻率

評估板的開關(guān)頻率設(shè)置為325kHz，可在80kHz到1.5MHz之間調(diào)整。選擇開關(guān)頻率時需考慮效率和柵極驅(qū)動損耗等因素，可參考數(shù)據(jù)手冊中的“Switching Frequency”部分，調(diào)整頻率設(shè)置電阻R13。

5.6 MOSFET柵極驅(qū)動電壓（PVCC）

集成驅(qū)動器的柵極驅(qū)動偏置電壓可在+5V到+12V之間選擇，通過將所需電壓連接到IC的PVCC引腳設(shè)置。

5.7 活動相數(shù)

ISL6308A支持1相、2相或3相操作，評估板可通過填充或移除幾個電阻R62 - R65來改變活動相數(shù)。

6. ISL6308A性能

6.1 軟啟動間隔

典型的啟動波形顯示，在軟啟動間隔開始前，VCC和PVCC高于POR，DAC輸入設(shè)置為邏輯11。將ENABLE開關(guān)切換到啟用位置后，ENLL引腳電壓上升，開始軟啟動序列。經(jīng)過0.85ms的延遲后，VOUT開始線性上升至DAC電壓，輸入電流ICC12也緩慢上升。當(dāng)VOUT達(dá)到DAC設(shè)定點(diǎn)時，PGOOD引腳內(nèi)部下拉釋放，PGOOD LED指示燈從紅色變?yōu)榫G色。

6.2 瞬態(tài)響應(yīng)

評估板設(shè)計(jì)為無下垂，最大輸出負(fù)載電流為90A。負(fù)載階躍約為30A，瞬態(tài)期間輸出電壓變化保持在100mV峰 - 峰值以下。負(fù)載階躍的上升和下降邊緣最大變化率約為50A/μs。

6.3 過流保護(hù)

當(dāng)發(fā)生過流事件時，ISL6308A會停止所有調(diào)節(jié)并保護(hù)負(fù)載。通過連續(xù)監(jiān)測總輸出電流并與OCSET電阻R11設(shè)置的過流跳閘水平進(jìn)行比較，若輸出電流超過跳閘水平，立即關(guān)閉上下MOSFET，VOUT降至0V。控制器保持UGATE和LGATE信號在該狀態(tài)4096個開關(guān)周期，然后重新初始化軟啟動周期。

6.4 預(yù)POR過壓保護(hù)

在PVCC和VCC超過POR水平之前，ISL6308A通過內(nèi)部10kΩ電阻將PHASE連接到LGATE，打開下MOSFET以控制輸出電壓，保護(hù)負(fù)載免受可能的過壓事件影響。

6.5 過壓保護(hù)

在正常操作期間，ISL6308A持續(xù)監(jiān)測輸出電壓。若輸出電壓超過特定限制，控制器命令LGATE信號為高，打開下MOSFET以保持輸出電壓低于可能損壞負(fù)載的水平。

6.6 效率

在VOUT = 1.5V和1.8V時，分別測量了PVCC = 5V和12V時評估板從0A到90A負(fù)載的效率。效率在不同負(fù)載電流下有不同的峰值，較強(qiáng)的氣流可提高整個負(fù)載范圍內(nèi)的效率，保持組件涼爽，提高可靠性和組件壽命。

7. 輸出電壓調(diào)整

輸出電壓可通過改變內(nèi)部DAC的2位輸入（REF1，REF0）進(jìn)行調(diào)整。偏移引腳（OFS）允許對輸出電壓進(jìn)行小范圍（小于100mV）的正負(fù)偏移。若需要超出內(nèi)部DAC正常范圍的輸出電壓，可使用從負(fù)載輸出端子連接到VSEN引腳的單獨(dú)電阻分壓器，并根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算電阻值。

ISL6308AEVAL1Z評估板為工程師提供了一個全面的平臺，用于評估ISL6308A芯片的性能和功能。通過合理使用評估板的各項(xiàng)特性和進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)修改，工程師可以更好地滿足不同應(yīng)用的需求。大家在實(shí)際使用過程中，是否也遇到過類似的電源管理設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。