ISL6744：中間總線PWM控制器的深度解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，中間總線PWM控制器是實現(xiàn)高效電源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵組件。今天，我們來深入探討RENESAS推出的ISL6744中間總線PWM控制器，它為無調(diào)節(jié)DC/DC轉(zhuǎn)換器提供了出色的解決方案。

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一、ISL6744概述

ISL6744是一款低成本、初級側(cè)、雙端控制器，適用于采用全橋和半橋拓撲的無調(diào)節(jié)DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。它是一款電壓模式PWM控制器，專為半橋和全橋電源設(shè)計。具備精確的開關(guān)頻率控制、可調(diào)軟啟動、精確的死區(qū)時間控制（死區(qū)時間低至35ns）以及過流關(guān)斷等功能。

其先進的BiCMOS設(shè)計具有低啟動和工作電流，開關(guān)頻率可調(diào)節(jié)至1MHz，配備1A FET驅(qū)動器，并且傳播延遲非常低，能對過流故障做出快速響應(yīng)。

二、產(chǎn)品信息

1. 訂購信息

2. 特點

• 精確占空比和死區(qū)時間控制：確保電源轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性和效率。
• 100μA啟動電流：降低啟動功耗。
• 可調(diào)延遲過流關(guān)斷和重啟：增強系統(tǒng)的可靠性。
• 可調(diào)振蕩器頻率高達2MHz：滿足不同應(yīng)用的頻率需求。
• 1A MOSFET柵極驅(qū)動器：提供足夠的驅(qū)動能力。
• 可調(diào)軟啟動：減少啟動時的應(yīng)力和浪涌電流。
• 內(nèi)部過溫保護：防止器件過熱損壞。
• 35ns控制到輸出傳播延遲：實現(xiàn)快速響應(yīng)。
• 小尺寸和最少外部組件數(shù)量：簡化設(shè)計，降低成本。
• 輸入欠壓保護：保護器件免受欠壓影響。
• 無鉛加退火（符合RoHS標準）：環(huán)保設(shè)計。

3. 應(yīng)用領(lǐng)域

• 電信和數(shù)據(jù)通信隔離電源
• DC變壓器
• 總線轉(zhuǎn)換器

三、電氣規(guī)格

1. 絕對最大額定值和熱信息

2. 工作條件

溫度范圍為 -40°C 至 105°C。需要注意的是，超過“絕對最大額定值”的應(yīng)力可能會對器件造成永久性損壞。

3. 電氣參數(shù)

包含電源電壓、電流檢測、脈沖寬度調(diào)制器、振蕩器、軟啟動、輸出、熱保護等方面的參數(shù)。例如，啟動電流最大為175μA，工作電流在不同條件下有所不同；過流檢測閾值為0.55 - 0.65V等。

四、引腳描述

1. VDD

VDD是IC的電源連接引腳。為了優(yōu)化抗噪性，應(yīng)使用陶瓷電容盡可能靠近VDD和GND引腳進行旁路?？傠娫措娏鱅DD取決于輸出OUTA和OUTB的負載。

2. RTD

該引腳用于控制振蕩器定時電容的放電電流。通過連接一個電阻到GND，流經(jīng)電阻的電流決定了放電電流的大小，PWM死區(qū)時間由定時電容的放電持續(xù)時間決定。

3. CT

振蕩器定時電容連接在該引腳和GND之間。

4. CS

這是過流保護比較器的輸入引腳。過流比較器閾值標稱設(shè)置為0.600V。在每個開關(guān)周期結(jié)束時，CS引腳會短路到GND。

5. GND

作為設(shè)備所有功能的參考和電源地，由于存在高峰值電流和高頻操作，需要低阻抗布局，建議使用接地平面和短走線。

6. OUTA和OUTB

交替的半周期輸出級，每個輸出能夠提供1A的峰值電流，用于驅(qū)動功率MOSFET或MOSFET驅(qū)動器，對過沖和下沖具有非常低的阻抗。

7. SS

連接軟啟動定時電容到GND，用于控制軟啟動的持續(xù)時間。電容值決定了啟動期間占空比的增加速率，控制過流關(guān)斷延遲以及過流和短路打嗝重啟周期。

五、功能描述

1. 振蕩器

ISL6744的振蕩器頻率范圍可達2MHz，可通過電阻RTD和電容CT進行編程。開關(guān)周期可視為定時電容充電和放電持續(xù)時間之和。實際時間會因內(nèi)部電荷和放電電流的影響而略長于計算值。

2. 軟啟動操作

通過外部電容和內(nèi)部電流源實現(xiàn)軟啟動，可減少啟動期間的應(yīng)力和浪涌電流。在軟啟動期間，占空比從0增加到最大脈沖寬度，當軟啟動電壓超過3.5V時，軟啟動完成。

3. 柵極驅(qū)動

ISL6744能夠提供和吸收1A的峰值電流，也可與MOSFET驅(qū)動器（如ISL6700）配合使用進行電平轉(zhuǎn)換。為了限制通過IC的峰值電流，可在IC的圖騰柱輸出（OUTA或OUTB引腳）和MOSFET的柵極之間放置一個外部電阻。

4. 過流操作

軟啟動周期完成后，過流延遲關(guān)斷功能啟用。如果檢測到過流情況，軟啟動充電電流源將被禁用，軟啟動電容通過15μA的電流源放電。當軟啟動電容放電到3.9V時，輸出將被禁用，直到軟啟動電壓達到270mV時，新的軟啟動周期將啟動。

5. 熱保護

內(nèi)部溫度傳感器可在結(jié)溫超過145°C時保護設(shè)備，具有約15°C的滯后。

6. 接地平面要求

良好的接地平面對于設(shè)備的正常運行至關(guān)重要，VDD應(yīng)通過良好的高頻電容直接旁路到GND。

六、典型應(yīng)用

1. 應(yīng)用電路

典型應(yīng)用原理圖展示了ISL6744在無調(diào)節(jié)半橋DC/DC轉(zhuǎn)換器配置中的應(yīng)用，通常稱為DC變壓器或總線轉(zhuǎn)換器。輸入電壓為48V ±10% DC，輸出在輸入電壓為48V時標稱值為12V，輸出額定電流為8A。

2. 電路元件

包括輸入濾波、半橋電容、隔離變壓器、初級緩沖器、啟動偏置調(diào)節(jié)器、電源旁路組件、主MOSFET功率開關(guān)、電流檢測網(wǎng)絡(luò)、控制電路、輸出整流和濾波、次級緩沖器、FET驅(qū)動器、自舉組件以及零電壓開關(guān)（ZVS）諧振延遲（可選）等功能塊。

3. 設(shè)計規(guī)格

• 開關(guān)頻率：235kHz
• 輸入電壓：48 ± 10% V
• 輸出電壓：12V（標稱）
• 輸出電流：8A（穩(wěn)態(tài)）
• 輸出功率：100W
• 效率：95%
• 紋波：1%

七、變壓器設(shè)計

1. 設(shè)計過程

• 選擇適合應(yīng)用的磁芯幾何形狀。
• 確定匝數(shù)比。
• 選擇合適的磁芯材料。
• 選擇所需的最大磁通密度。
• 選擇磁芯尺寸。
• 確定初級匝數(shù)。
• 選擇每個繞組的線規(guī)。
• 確定繞組順序和絕緣要求。
• 驗證設(shè)計。

2. 具體設(shè)計

對于本應(yīng)用，選擇了平面結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)低輪廓設(shè)計，采用了TDK的PC44HPQ20/6 “E - Core” 加PC44PQ20/3 “I - Core” 作為變壓器磁芯。匝數(shù)比N = 2，根據(jù)法拉第定律確定初級匝數(shù)為4，次級匝數(shù)為2。同時，還需要考慮銅箔厚度、直流銅損等因素，為了提高效率和熱性能，可選擇更重的銅箔重量。

八、MOSFET選擇

1. 選擇標準

主要基于器件的電流和電壓額定值，同時不能忽視FET的漏源電容和柵極電荷。

2. 具體選擇

• 對于初級側(cè)半橋FET，選擇了Fairchild FDS3672 FET，額定電壓為100V，額定電流為7.5A。
• 對于次級側(cè)同步整流FET，使用了兩個Fairchild FDS5670器件并聯(lián)，額定電壓為60V，額定電流為10A。

九、振蕩器組件選擇

1. 頻率確定

轉(zhuǎn)換器的期望工作頻率為235kHz，振蕩器頻率是轉(zhuǎn)換器頻率的兩倍。

2. 關(guān)鍵設(shè)計目標

確定實現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）所需的放電時間是選擇定時組件的關(guān)鍵設(shè)計目標。通過測量、計算等方法確定變壓器的初級漏電感、FET的Coss、變壓器的寄生繞組電容等參數(shù)，進而計算出ZVS過渡時間。

在實際設(shè)計中，大家是否也遇到過類似的組件選擇和參數(shù)計算問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。