ISL8202M：?jiǎn)瓮ǖ栏咝?a href="http://m.brongaenegriffin.com/tags/dc/dc/" target="_blank">DC/DC降壓電源模塊的設(shè)計(jì)秘籍

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能卓越的電源模塊能為整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障。今天，我們就來(lái)深入探討Intersil公司的ISL8202M單通道同步降壓電源模塊，看看它究竟有哪些獨(dú)特之處，以及在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要注意的要點(diǎn)。

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一、ISL8202M模塊概述

ISL8202M是一款專(zhuān)為FPGA、DSP和鋰離子電池供電設(shè)備優(yōu)化的單通道3A降壓高效電源模塊。它具備諸多出色特性，如集成了控制器、MOSFET和電感器，僅需少量外部組件即可工作，非常適合空間受限和便攜式電池供電應(yīng)用。

1. 關(guān)鍵參數(shù)

• 輸入電壓范圍：2.6V至5.5V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 輸出電壓范圍：可調(diào)節(jié)，最低至0.6V，且在不同線(xiàn)路、負(fù)載和溫度條件下精度優(yōu)于±1.6%，最高效率可達(dá)95%。
• 開(kāi)關(guān)頻率：默認(rèn)1.8MHz，可通過(guò)外部電阻在680kHz至3.5MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，還能與最高3.5MHz的外部時(shí)鐘信號(hào)同步。

2. 特色功能

• PFM模式：可選擇PFM模式以提高輕載效率。
• 100%占空比LDO模式：延長(zhǎng)電池使用壽命。
• 可編程軟啟動(dòng)：減少輸入電源的浪涌電流。
• 自動(dòng)輸出放電：確保軟停止。
• 專(zhuān)用使能引腳和電源良好標(biāo)志：便于系統(tǒng)電源軌排序。
• 多重保護(hù)功能：包括輸入欠壓鎖定（UVLO）、過(guò)溫、過(guò)流/短路（打嗝模式）、過(guò)壓和負(fù)過(guò)流保護(hù)，保障模塊在異常工作條件下的安全運(yùn)行。

二、引腳配置與功能

ISL8202M采用22引腳QFN封裝，各引腳功能明確，在設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)其特性合理連接。

1. 關(guān)鍵引腳

• FB（引腳1、19）：電壓設(shè)置引腳，通過(guò)連接電阻RSET到SGND來(lái)設(shè)置模塊輸出電壓，建議并聯(lián)陶瓷電容以確保系統(tǒng)在極端條件下的穩(wěn)定性。
• VSENSE（引腳2、4）：電壓感應(yīng)引腳，內(nèi)部短接，用于本地輸出電壓反饋，若需遠(yuǎn)程感應(yīng)，應(yīng)將遠(yuǎn)程感應(yīng)走線(xiàn)直接連接到該引腳以實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)節(jié)性能。
• PGND（引腳3、14）：電源地引腳，輸出電容應(yīng)跨接在VOUT和PGND之間，靠近引腳3，因?yàn)樗禽敵鲭娏鞯姆祷芈窂健?/li>
• VIN（引腳11）：電源輸入引腳，輸入電壓范圍為2.6V至5.5V，模塊輸入處需至少44μF的總輸入電容，建議使用X5R或X7R陶瓷電容，并盡量靠近模塊輸入放置。
• PG（引腳12）：電源良好標(biāo)志引腳，為開(kāi)漏輸出，需連接10kΩ至100kΩ上拉電阻到VIN，用于監(jiān)測(cè)模塊輸出電壓。
• SYNC（引腳13）：同步引腳，可用于選擇PWM或PFM模式，也可連接外部時(shí)鐘進(jìn)行同步。
• EN（引腳15）：電源使能引腳，高電平使能輸出，低電平關(guān)閉輸出并放電輸出電容，通常直接連接到VIN引腳。
• FS（引腳16）：頻率選擇引腳，默認(rèn)頻率為1.8MHz，可通過(guò)連接電阻RFS到SGND來(lái)調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率。
• SS（引腳17）：軟啟動(dòng)引腳，可通過(guò)連接電容到SGND來(lái)調(diào)整軟啟動(dòng)時(shí)間，電容值應(yīng)小于33nF以確保正常工作。
• COMP（引腳18）：補(bǔ)償引腳，多數(shù)應(yīng)用中可直接連接到VIN以使用內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，若需要外部補(bǔ)償，則需斷開(kāi)與VIN的連接并連接到外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

三、工作模式與控制方案

1. PWM控制方案

將SYNC引腳拉高（>0.8V）可強(qiáng)制模塊進(jìn)入PWM模式，采用電流模式脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制方案，具有快速瞬態(tài)響應(yīng)和逐脈沖電流限制功能。電流環(huán)由振蕩器、PWM比較器、電流傳感電路和斜率補(bǔ)償組成，斜率補(bǔ)償為440mV/Ts，電流傳感電路增益典型值為140mV/A。輸出電壓通過(guò)控制VEAMP電壓到電流環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)，帶隙電路輸出0.6V參考電壓到電壓環(huán)，反饋信號(hào)來(lái)自VFB引腳。

2. PFM（SKIP）模式

將SYNC引腳拉低（<0.4V）可使模塊進(jìn)入PFM模式，在輕載時(shí)進(jìn)入脈沖跳過(guò)模式，通過(guò)降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)最小化開(kāi)關(guān)損耗。零交叉?zhèn)鞲须娐繁O(jiān)測(cè)NFET電流的零交叉，當(dāng)檢測(cè)到16個(gè)連續(xù)周期時(shí)，模塊進(jìn)入跳過(guò)模式。在跳過(guò)模式下，脈沖調(diào)制由跳過(guò)比較器控制，PFET在時(shí)鐘上升沿開(kāi)啟，當(dāng)輸出高于標(biāo)稱(chēng)調(diào)節(jié)值的1.2%或電流達(dá)到峰值跳過(guò)電流限制值時(shí)關(guān)閉。當(dāng)輸出電壓下降到標(biāo)稱(chēng)電壓時(shí)，PFET在內(nèi)部時(shí)鐘上升沿再次開(kāi)啟。當(dāng)輸出電壓下降到標(biāo)稱(chēng)電壓的2.5%以下時(shí)，模塊恢復(fù)正常PWM模式運(yùn)行。

3. 頻率調(diào)整

ISL8202M的開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)連接電阻RFS從FS到SGND在680kHz至3.5MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)FS引腳直接連接到VIN時(shí)，工作頻率固定為1.8MHz。

四、保護(hù)功能

1. 過(guò)流保護(hù)

通過(guò)OCP比較器監(jiān)測(cè)CSA輸出實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，電流傳感電路增益為140mV/A。當(dāng)CSA輸出達(dá)到閾值時(shí)，OCP比較器觸發(fā)，立即關(guān)閉PFET。若連續(xù)檢測(cè)到17個(gè)過(guò)流故障，模塊將在過(guò)流故障條件下關(guān)閉，并在8個(gè)軟啟動(dòng)周期的延遲后嘗試以打嗝模式重啟。

2. 負(fù)電流保護(hù)

通過(guò)監(jiān)測(cè)低側(cè)NFET上的電流實(shí)現(xiàn)負(fù)電流保護(hù)，當(dāng)電感電流谷值連續(xù)4個(gè)周期達(dá)到 -3A時(shí)，PFET和NFET均關(guān)閉，100Ω電阻并聯(lián)到NFET將激活輸出放電，使其恢復(fù)正常調(diào)節(jié)。必要時(shí)，模塊將在PFM模式下運(yùn)行20μs后切換到PWM模式。

3. 電源良好標(biāo)志（PG）

PG是窗口比較器的開(kāi)漏輸出，持續(xù)監(jiān)測(cè)模塊輸出電壓。在EN為低電平和模塊軟啟動(dòng)期間，PG主動(dòng)拉低。軟啟動(dòng)1ms延遲后，只要輸出電壓在VFB設(shè)置的標(biāo)稱(chēng)調(diào)節(jié)電壓范圍內(nèi)，PG變?yōu)楦咦杩埂Ｔ谳敵鲞^(guò)壓（輸出電壓比標(biāo)稱(chēng)值高33%）或欠壓（輸出電壓比標(biāo)稱(chēng)值低15%）故障條件下，PG將被拉低，直到故障條件通過(guò)軟啟動(dòng)嘗試清除。

4. UVLO

當(dāng)輸入電壓低于欠壓鎖定（UVLO）閾值時(shí)，模塊禁用。

5. 軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)可減少啟動(dòng)期間的浪涌電流，軟啟動(dòng)塊輸出斜坡參考到誤差放大器的輸入，限制電感電流和輸出電壓上升速度，使輸出電壓以受控方式上升。當(dāng)軟啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)，若VFB小于0.1V，開(kāi)關(guān)頻率降低到200kHz，以確保在輕載條件下平穩(wěn)啟動(dòng)。在軟啟動(dòng)期間，IC以跳過(guò)模式運(yùn)行以支持預(yù)偏置輸出條件。

6. 外部同步控制

可通過(guò)將外部信號(hào)應(yīng)用于SYNC引腳將工作頻率同步到最高3.5MHz，SYNC信號(hào)的上升沿觸發(fā)PWM開(kāi)啟脈沖的上升沿。為確保正常運(yùn)行，建議外部SYNC頻率在FS引腳設(shè)置的開(kāi)關(guān)頻率的±25%范圍內(nèi)。

7. 放電模式（軟停止）

當(dāng)模塊進(jìn)入關(guān)閉模式或VIN UVLO設(shè)置時(shí)，輸出通過(guò)內(nèi)部100Ω開(kāi)關(guān)放電到PGND。

8. 100%占空比

ISL8202M具有100%占空比操作功能，當(dāng)輸入電壓下降到無(wú)法維持輸出調(diào)節(jié)的水平時(shí)，模塊完全開(kāi)啟PFET以最小化開(kāi)關(guān)損耗。

9. 熱關(guān)斷

模塊內(nèi)置熱保護(hù)功能，當(dāng)內(nèi)部溫度達(dá)到 +150°C時(shí)，模塊完全關(guān)閉；當(dāng)溫度下降到 +125°C時(shí)，模塊通過(guò)軟啟動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 輸出電壓編程

模塊的輸出電壓通過(guò)從FB引腳到SGND連接外部電阻RSET進(jìn)行編程，RSET與內(nèi)部100kΩ 0.5%電阻組成電阻分壓器來(lái)設(shè)置輸出電壓，計(jì)算公式為 (V{OUT }=V{REF } cdot frac{R{S E T}+100 k Omega}{R{S E T}}) 。需注意輸出電壓精度取決于RSET的電阻精度，應(yīng)選擇高精度電阻以實(shí)現(xiàn)整體輸出精度。

2. 推薦開(kāi)關(guān)頻率選擇

選擇開(kāi)關(guān)頻率時(shí)需綜合考慮多種因素。一般來(lái)說(shuō)，較低的開(kāi)關(guān)頻率可提高效率，但不能過(guò)低，以免受到負(fù)電流保護(hù)限制。當(dāng)輸出電壓較高時(shí)，低開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致更多次諧波振蕩，因此在高VOUT條件下需保持較高的工作頻率，但也不能過(guò)高，以免違反最小導(dǎo)通時(shí)間限制?？蓞⒖枷嚓P(guān)圖表選擇不同VIN和VOUT組合下的推薦開(kāi)關(guān)頻率。

3. 輸入電容選擇

輸入濾波電容的選擇基于電源在直流輸入線(xiàn)上所能容忍的紋波大小。電容越大，紋波越小，但需考慮上電時(shí)的浪涌電流。ISL8202M的軟啟動(dòng)功能可控制和限制電流浪涌。輸入電容的總電容值可根據(jù)公式 (C_{IN(MIN)}=frac{IO cdot D cdot (1 - D)}{V{P - P} cdot f{SW}}) 計(jì)算，建議使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的陶瓷電容，并盡量靠近模塊輸入放置，以減少輸入電壓紋波和VIN與PGND之間的耦合。同時(shí)，需考慮估計(jì)的RMS紋波電流，可根據(jù)公式 (I{IN(RMS)}=frac{I_O cdot sqrt{D cdot (1 - D)}}{eta}) 計(jì)算。ISL8202M至少需要44μF的總輸入電容，如有可能應(yīng)增加額外電容，使用X5R或X7R陶瓷電容。若輸入源輸出電容不足，可能需要一個(gè)典型值為100μF的大容量輸入電容，以在輸出負(fù)載瞬態(tài)條件下提供電流。

4. 輸出電容選擇

通常使用陶瓷電容作為ISL8202M的輸出電容，推薦的輸出電容值可參考相關(guān)表格。根據(jù)輸出電壓紋波和瞬態(tài)要求，也可將具有足夠低等效串聯(lián)電阻（ESR）的大容量輸出電容（如低ESR聚合物電容或低ESR鉭電容）與陶瓷電容結(jié)合使用。

5. 前饋電容選擇

在輸出電容均為陶瓷電容的典型應(yīng)用中，需要一個(gè)前饋電容（如CFF）來(lái)確保在極端操作條件下的環(huán)路穩(wěn)定性。啟用內(nèi)部補(bǔ)償模式時(shí)，典型操作條件下的CFF值已優(yōu)化并列出在相關(guān)表格中。若系統(tǒng)參數(shù)與表格不同或使用外部補(bǔ)償而非內(nèi)部補(bǔ)償，則需要調(diào)整CFF的優(yōu)化值。

6. PCB布局建議

為確保ISL8202M的正常運(yùn)行，PCB布局需注意以下要點(diǎn)：

• 輸入陶瓷電容：應(yīng)盡量靠近模塊輸入放置，以減少開(kāi)關(guān)環(huán)路的寄生電感，降低高頻噪聲。建議使用X5R或X7R陶瓷電容，模塊輸入處總電容至少為44μF，其中一個(gè)輸入電容（CIN1）電容值不小于3.3μF，應(yīng)與模塊在同一層（假設(shè)為頂層）且與模塊輸入的間距小于70mil；底層的電容（CIN2）應(yīng)放置在靠近暴露焊盤(pán)（Pad 20）過(guò)孔的VIN到PGND銅線(xiàn)上。
• 電源路徑：使用大面積銅區(qū)域作為電源路徑（VIN、PGND），以減少傳導(dǎo)損耗和熱應(yīng)力。建議使用多個(gè)過(guò)孔連接不同層的電源平面，在暴露的Pad 20上至少使用5個(gè)過(guò)孔連接到PGND平面以實(shí)現(xiàn)最佳散熱。
• 信號(hào)地：為連接到信號(hào)地的組件使用單獨(dú)的SGND接地銅區(qū)域，通過(guò)多個(gè)過(guò)孔將SGND銅區(qū)域連接到模塊Pad 22。由于Pad 22在單個(gè)位置連接到模塊內(nèi)部PGND，因此PCB上的SGND銅區(qū)域和PGND平面可保持分離。
• SW引腳：建議將SW焊盤(pán)僅保留在PCB的頂層和內(nèi)層，避免在底層暴露SW焊盤(pán)。為最小化開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電阻，使用寬走線(xiàn)或形狀連接Pads 21和9。
• 遠(yuǎn)程感應(yīng)：若需要遠(yuǎn)程感應(yīng)，應(yīng)將遠(yuǎn)程感應(yīng)走線(xiàn)從負(fù)載點(diǎn)通過(guò)由PGND平面屏蔽的安靜內(nèi)層路由到模塊VSENSE引腳。
• 噪聲敏感信號(hào)：避免在嘈雜的SW引腳附近路由如FB、COMP等噪聲敏感信號(hào)走線(xiàn)。
• 反饋和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)：應(yīng)盡量靠近FB引腳放置，遠(yuǎn)離SW引腳。

六、總結(jié)

ISL8202M作為一款高性能的單通道降壓電源模塊，憑借其豐富的功能、出色的性能和靈活的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)中提供了可靠的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇參數(shù)、配置引腳，并注意PCB布局等細(xì)節(jié)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。你在使用ISL8202M或其他電源模塊時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。