探索ISL8225MEVAL2Z評(píng)估板：高效電源解決方案

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一款性能卓越的電源模塊對(duì)于各類應(yīng)用的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。今天，我們將深入探討瑞薩（Renesas）的ISL8225MEVAL2Z評(píng)估板，它為我們提供了一個(gè)可靠且高效的電源解決方案。

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一、ISL8225M模塊概述

ISL8225M是一款完整的雙降壓開(kāi)關(guān)模式DC/DC模塊。它的雙輸出可輕松并聯(lián)，用于單輸出、大電流應(yīng)用。這種高功率、均流的DC/DC電源模塊非常適合為數(shù)據(jù)通信、電信和FPGA等對(duì)電源需求較高的應(yīng)用供電。只需ISL8225M、幾個(gè)無(wú)源元件和(V_{OUT})設(shè)置電阻，就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的雙15A設(shè)計(jì)。其使用的便利性幾乎消除了設(shè)計(jì)和制造風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)顯著縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。如果需要更大的輸出電流，最多可并聯(lián)六個(gè)ISL8225M模塊，實(shí)現(xiàn)高達(dá)180A的解決方案。此外，ISL8225M采用熱增強(qiáng)型緊湊型QFN封裝，在滿載和高溫條件下運(yùn)行時(shí)無(wú)需強(qiáng)制風(fēng)冷。所有引腳易于訪問(wèn)，外部元件較少，將PCB設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為一個(gè)元件層和一個(gè)簡(jiǎn)單的接地層。

二、評(píng)估板關(guān)鍵特性

2.1 高功率輸出能力

ISL8225MEVAL2Z評(píng)估板允許實(shí)現(xiàn)單6相并聯(lián)輸出，可提供高達(dá)90A的大電流。在并行操作中，三個(gè)模塊可實(shí)現(xiàn)高達(dá)300W的輸出功率和90A的負(fù)載能力。

2.2 寬輸入輸出范圍

輸入電壓范圍為4.5V至20V，輸出電壓范圍為0.6V至5.5V，能夠滿足多種不同應(yīng)用的電源需求。

2.3 高精度與高效率

輸出電壓精度可達(dá)1.5%，轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)95%，有效降低了能量損耗。

2.4 低紋波特性

由于采用多相交錯(cuò)技術(shù)，降低了輸出紋波和輸入紋波，提高了電源的穩(wěn)定性。

三、功能描述

3.1 推薦設(shè)備

為了對(duì)評(píng)估板進(jìn)行測(cè)試和使用，需要準(zhǔn)備以下設(shè)備：

• 0V至20V電源，至少具備10A的源電流能力。
• 能夠吸收高達(dá)90A電流的電子負(fù)載（可并聯(lián)多個(gè)電子負(fù)載以吸收更大電流）。
• 數(shù)字萬(wàn)用表（DMMs）。
• 100MHz四通道示波器。

3.2 快速啟動(dòng)

評(píng)估板的輸入為J3（VIN）和J4（GND），輸出為J1和J5（VOUT）、J2和J6（GND）以及J6（VOUT2）。該90A評(píng)估板可輕松修改為30A（一個(gè)模塊）或60A（兩個(gè)模塊）操作。具體啟動(dòng)步驟如下：

1. 將能夠提供至少10A電流的電源連接到ISL8225MEVAL2Z的輸入（VIN J3和GND J4），電壓設(shè)置在4.5V至20V之間。將電子負(fù)載或待供電設(shè)備連接到評(píng)估板的輸出（VOUT (J1, J5)和GND (J2, J6)）。所有連接，特別是低電壓、大電流的VOUT線路，應(yīng)能夠承載所需的負(fù)載電流，并盡量縮短連接長(zhǎng)度。在VOUT (J1, J5)和GND (J2, J6)上使用重復(fù)的接線片連接以承載大電流。
2. 確保EN2和EN3的跳線處于“ON”位置，EN處于開(kāi)路狀態(tài)。打開(kāi)電源。如果評(píng)估板正常工作，綠色LED亮起；否則，紅色LED亮起（此時(shí)需重新檢查電線/跳線連接）。測(cè)量輸出電壓VOUT，應(yīng)為1.2V。
3. ISL8225MEVAL2Z的默認(rèn)輸出電壓為1.2V。如果需要不同的輸出電壓，可以更換板上的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同輸出電壓對(duì)應(yīng)的R2/R64電阻值可參考文檔中的表1。對(duì)于12V VIN且VOUT大于1.5V的情況，需要調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率，可通過(guò)調(diào)整電阻RFSET來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于VOUT低于1.5V的情況，無(wú)需進(jìn)行頻率調(diào)整。對(duì)于5V VIN，任何允許的VOUT都可使用模塊的默認(rèn)頻率。如果輸出電壓設(shè)置為大于1.8V，需要對(duì)輸出電流進(jìn)行降額以確保安全運(yùn)行，具體降額曲線可參考ISL8225M數(shù)據(jù)手冊(cè)。

3.3 板級(jí)設(shè)置

該評(píng)估板可根據(jù)不同的電流需求進(jìn)行靈活設(shè)置：

• 30A應(yīng)用（1模塊）：EN開(kāi)路，EN2關(guān)閉，EN3關(guān)閉。在此模式下，只有模塊1運(yùn)行，模塊2和3禁用。
• 60A應(yīng)用（2模塊）：有兩種設(shè)置方式，一種是EN開(kāi)路，EN2開(kāi)啟，EN3關(guān)閉；另一種是EN開(kāi)路，EN2關(guān)閉，EN3開(kāi)啟。在此模式下，只有模塊1和2（或3）運(yùn)行，模塊3（或2）禁用。
• 90A應(yīng)用（3模塊）：EN開(kāi)路，EN2開(kāi)啟，EN3開(kāi)啟。在此模式下，所有模塊都運(yùn)行。
• 禁用所有模塊并使用EN引腳啟動(dòng)模塊：EN連接。在此模式下，所有模塊禁用，可使用EN控制所有模塊啟動(dòng)。

3.4 評(píng)估板信息

評(píng)估板尺寸為150mm x 130mm，是一個(gè)6層板，頂層和底層采用2 oz.銅，所有內(nèi)層采用1 oz.銅。該板可作為90A參考設(shè)計(jì)。板采用FR4材料，所有組件（包括焊接附件）均為無(wú)鉛產(chǎn)品。

3.4.1 均流檢查

評(píng)估板允許測(cè)量均流精度。在每個(gè)輸出上串聯(lián)四個(gè)0Ω電阻（如M1通道2的R59~R62），評(píng)估板兩側(cè)各有兩個(gè)。要測(cè)量每個(gè)相的輸出電流，需移除所有四個(gè)電阻，并在正確位置放置環(huán)形導(dǎo)線或傳感電阻。雖然組裝的電阻阻值為零，但每個(gè)電阻仍有小電阻（< 50mΩ）。在大輸出電流下，由于這些0Ω電阻的功率損耗，效率可能會(huì)降低1~3%。文檔中給出了帶有0Ω電阻的效率曲線（圖16和17），以及用短銅帶替換這些電阻后的效率曲線（圖18和19）。

3.4.2 熱考慮和電流降額

對(duì)于大電流應(yīng)用，電路板布局對(duì)于模塊的安全運(yùn)行和最大允許功率輸出至關(guān)重要。為了承載大電流，需要精心設(shè)計(jì)電路板布局以最大化熱性能。這包括選擇足夠的走線寬度、銅重量和合適的連接器。該評(píng)估板設(shè)計(jì)為在室溫下無(wú)需額外冷卻系統(tǒng)即可在1.2V下運(yùn)行90A。然而，如果輸出電壓升高或電路板在高溫下運(yùn)行，可用電流會(huì)降額?？蓞⒖糏SL8225M數(shù)據(jù)手冊(cè)中的降額電流曲線來(lái)確定可用的輸出電流。在使用ISL8225M進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)以下設(shè)計(jì)技巧提高熱性能：

• 使用頂層和底層承載大電流。VOUT1、VOUT2、Phase 1、Phase 2、PGND、VIN1和VIN2應(yīng)具有大而堅(jiān)實(shí)的平面。在模塊下方和周圍放置足夠的熱過(guò)孔以連接不同層的電源平面。
• Phase 1和Phase 2焊盤(pán)是產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)。將這些焊盤(pán)保持在模塊下方。對(duì)于對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用，瑞薩建議將相焊盤(pán)僅放置在PCB的頂層和內(nèi)層；不要將相焊盤(pán)暴露在PCB的底層。為了提高熱性能，相焊盤(pán)可在內(nèi)層擴(kuò)展，如該90A評(píng)估板的第3層上的Phase 1和2焊盤(pán)所示。確保第2層和第4層有GND層覆蓋第3層相焊盤(pán)的擴(kuò)展區(qū)域，以避免噪聲耦合。
• 為了避免噪聲耦合，瑞薩建議在多模塊操作時(shí)，在每個(gè)模塊的所有COMP和ISHARE引腳上添加1nF電容器。
• 將模塊均勻放置在電路板上，并在模塊之間留出足夠的空間。如果電路板空間有限，嘗試將功率損耗低的模塊（如低(Vout)或(IOUT)）緊密放置在一起，同時(shí)仍將功率損耗高的模塊分開(kāi)。
• 如果環(huán)境溫度高或電路板空間有限，需要?dú)饬鱽?lái)消散模塊產(chǎn)生的更多熱量。也可在模塊頂部應(yīng)用散熱片以進(jìn)一步提高熱性能（散熱片推薦：Aavid Thermalloy，部件號(hào)375424B00034G，www.aavid.com）。

  3.4.3 遠(yuǎn)程傳感

  ISL8225MEVAL2Z板允許對(duì)負(fù)載應(yīng)用遠(yuǎn)程傳感功能，以實(shí)現(xiàn)良好的輸出調(diào)節(jié)精度。要使用此功能，需移除電阻R7和R8，并通過(guò)跳線JP4（RS）將開(kāi)爾文傳感線連接到負(fù)載點(diǎn)。

  3.4.4 相移編程

  在均流模式下，需要相移來(lái)交錯(cuò)不同的相，以降低輸入和輸出紋波。文檔中給出了不同的均流模式，從2相（180°相移）、4相（90°相移）到6相（60°相移）。主模塊將CLKOUT信號(hào)發(fā)送到第二個(gè)模塊的SYNC引腳，并與其自身的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生相移。然后第二個(gè)模塊與主模塊的CLKOUT信號(hào)同步，并將其CLKOUT信號(hào)發(fā)送到第三個(gè)模塊的SYNC引腳。每個(gè)模塊的兩個(gè)相默認(rèn)設(shè)置為180°相移。該評(píng)估板設(shè)置為模式5B，相之間的相移為60°。如果MODE引腳未連接到VCC（5A或5B），除主相的VMON引腳外，不同模塊的所有VMON引腳可以連接在一起。如果需要模式7A以實(shí)現(xiàn)90°相移，MODE引腳必須連接到VCC。在這種情況下，相關(guān)模塊的VMON引腳需要通過(guò)連接一個(gè)953Ω電阻和一個(gè)22nF電容器到SGND來(lái)分離，具體可參考ISL8225M數(shù)據(jù)手冊(cè)。

四、PCB布局指南

4.1 電路板原理圖

文檔中給出了ISL8225MEVAL2Z板的詳細(xì)原理圖，展示了各個(gè)元件的連接和布局。這些原理圖是設(shè)計(jì)和調(diào)試的重要參考。

4.2 電路板布局

評(píng)估板的布局包括頂層組件側(cè)、底層焊接側(cè)等多個(gè)層面的視圖。合理的布局有助于提高電路板的性能和可靠性。同時(shí)，文檔還提供了電路板的絲印圖，方便元件的安裝和識(shí)別。

4.3 物料清單

文檔列出了評(píng)估板的詳細(xì)物料清單，包括每個(gè)元件的型號(hào)、參考編號(hào)、數(shù)量、值、公差、電壓、功率、封裝類型、JEDEC類型、制造商和描述等信息。這對(duì)于采購(gòu)和組裝電路板非常有幫助。需要注意的是，反饋電阻分壓器R1/R2的電阻精度會(huì)影響輸出電壓精度，建議使用高精度電阻（0.5%或0.1%）以滿足輸出精度要求。

五、效率曲線

文檔給出了ISL8225MEVAL2Z在不同輸入電壓和輸出電壓下的效率曲線。測(cè)試條件為+25°C且無(wú)氣流。分別展示了輸出帶有0Ω電阻時(shí)的效率曲線（圖16和17），以及用厚銅帶替換0Ω電阻后的效率曲線（圖18和19）。通過(guò)這些曲線，我們可以直觀地了解評(píng)估板在不同負(fù)載電流下的效率表現(xiàn)，為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

六、修訂歷史

文檔記錄了評(píng)估板的修訂歷史，包括版本號(hào)、日期和描述。最新版本（Rev.2.00）于2019年6月25日發(fā)布，進(jìn)行了新的格式應(yīng)用、替換二維碼為視頻鏈接、更新原理圖以及添加修訂歷史部分等操作。

ISL8225MEVAL2Z評(píng)估板為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的電源解決方案。通過(guò)深入了解其特性、功能和布局等方面的信息，我們可以更好地利用該評(píng)估板進(jìn)行電源設(shè)計(jì)，滿足不同應(yīng)用的需求。你在使用類似評(píng)估板的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。