ISL95870/ISL95870A/ISL95870B：高性能PWM DC/DC控制器的技術(shù)解析

在便攜式GPU核心電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，RENESAS的ISL95870、ISL95870A和ISL95870B這三款I(lǐng)C憑借其獨(dú)特的技術(shù)和出色的性能，成為了眾多工程師的理想選擇。今天，我們就來(lái)深入探討一下這三款芯片的特點(diǎn)、工作原理以及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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芯片概述

ISL95870、ISL95870A和ISL95870B是單相同步降壓PWM調(diào)節(jié)器，采用了Intersil專有的(R^{4}) Technology?。其輸入電壓范圍為3.3V至25V，非常適合使用電池或交流適配器電源的系統(tǒng)。ISL95870A和ISL95870B是需要?jiǎng)討B(tài)選擇壓擺率控制輸出電壓應(yīng)用的低成本解決方案。

特點(diǎn)亮點(diǎn)

1. 寬輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為3.3V至25V，輸出電壓范圍為0.5V至5V，能滿足多種不同的應(yīng)用需求。
2. 高精度調(diào)節(jié)：擁有專有的(R^{4_{TM}})頻率控制環(huán)路，在 -10°C至 +100°C的溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)精度可達(dá)±0.5%。
3. 出色的瞬態(tài)響應(yīng)：采用Intersil的(R^{4_{TM}})調(diào)制器技術(shù)，能快速響應(yīng)負(fù)載變化，保證輸出電壓的穩(wěn)定。
4. 靈活的輸出電壓可編程性：通過(guò)2位VID選擇，ISL95870B可選擇四個(gè)獨(dú)立的設(shè)定點(diǎn)電壓，ISL95870A可選擇四個(gè)相關(guān)或三個(gè)獨(dú)立的設(shè)定點(diǎn)電壓，且設(shè)定點(diǎn)電壓可通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻編程實(shí)現(xiàn)。
5. 可選的PWM頻率：在連續(xù)導(dǎo)通模式下，可選擇300kHz、500kHz、600kHz或1MHz的PWM頻率。
6. 自動(dòng)二極管仿真模式：在輕載條件下，如系統(tǒng)待機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)自動(dòng)進(jìn)入二極管仿真模式（DEM），以實(shí)現(xiàn)最高效率。
7. 電源良好監(jiān)控：具備電源良好監(jiān)控功能，可用于軟啟動(dòng)和故障檢測(cè)。

工作原理

上電復(fù)位

芯片在VCC引腳電壓上升到上電復(fù)位（POR）閾值電壓(VCC_THR)以上時(shí)才會(huì)啟用，當(dāng)VCC引腳電壓下降到下降POR閾值電壓(VVCC_THF)以下時(shí)，控制器將被禁用。POR檢測(cè)器具有約1μs的噪聲濾波器。

啟動(dòng)時(shí)序

當(dāng)VCC電壓上升到(VVCCTHR)以上后，通過(guò)將EN引腳電壓拉高到輸入高閾值(V{ENTHR})，約20μs后，SREF引腳電壓開(kāi)始向指定的VID設(shè)定點(diǎn)上升，轉(zhuǎn)換器輸出電壓在FB反饋引腳處跟隨SREF引腳電壓。在軟啟動(dòng)期間，調(diào)節(jié)器始終工作在CCM模式，直到軟啟動(dòng)序列完成。

輸出電壓編程

• ISL95870：具有固定的0.5V參考電壓（VSREF），通過(guò)由(R{FB})和(R{OFS})組成的電阻分壓器，可將輸出電壓在0.5V至5V之間進(jìn)行縮放。
• ISL95870A：允許用戶通過(guò)電壓識(shí)別引腳VID1和VID0選擇四個(gè)不同的參考電壓，從而得到四個(gè)不同的輸出電壓。最大參考電壓不能設(shè)計(jì)高于1.5V。
• ISL95870B：同樣可通過(guò)VID1和VID0選擇四個(gè)不同的參考電壓和輸出電壓，最大參考電壓也不能高于1.5V。

(R^{4})調(diào)制器

(R^{4})調(diào)制器是(R^{3})技術(shù)的進(jìn)化版本。與(R^{3})相比，它在輕載效率相當(dāng)?shù)那闆r下，具有更快的瞬態(tài)性能、精確的頻率控制和全內(nèi)部補(bǔ)償。它降低了調(diào)節(jié)器的輸出阻抗，消除了補(bǔ)償環(huán)路中對(duì)高增益電壓放大器的需求，大大簡(jiǎn)化了調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，降低了外部組件成本。

保護(hù)機(jī)制

過(guò)流保護(hù)（OCP）

過(guò)流保護(hù)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)OCSET引腳電壓高于VO引腳電壓超過(guò)10μs時(shí)，OCP故障將鎖定轉(zhuǎn)換器，使其關(guān)閉。

過(guò)壓保護(hù)（OVP）

當(dāng)FB引腳電壓高于上升過(guò)壓閾值(V_{OVRTH})超過(guò)2μs時(shí)，OVP故障檢測(cè)電路將觸發(fā)，鎖定轉(zhuǎn)換器并使PGOOD引腳置低。

欠壓保護(hù)（UVP）

當(dāng)FB引腳電壓低于欠壓閾值(V_{UVTH})超過(guò)2μs時(shí)，UVP故障檢測(cè)電路將觸發(fā)，鎖定轉(zhuǎn)換器并使PGOOD引腳置低。

過(guò)溫保護(hù)（OTP）

當(dāng)芯片溫度上升到上升閾值溫度(T{OTRTH})以上時(shí)，芯片將進(jìn)入OTP狀態(tài)，暫停PWM，使LGATE和UGATE柵極驅(qū)動(dòng)器輸出置低。當(dāng)芯片溫度下降到滯后溫度(T{OTHYS})以下時(shí)，PWM恢復(fù)正常工作。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

選擇LC輸出濾波器

理想降壓轉(zhuǎn)換器的占空比是輸入和輸出電壓的函數(shù)，輸出電感的峰 - 峰紋波電流與占空比、開(kāi)關(guān)頻率和電感值有關(guān)。在選擇電感時(shí)，要考慮MOSFET開(kāi)關(guān)損耗、電感鐵芯損耗和電感繞組的電阻損耗，同時(shí)要注意電感在高溫下的飽和特性。輸出電容的選擇要考慮紋波電流和紋波電壓，對(duì)于需要支持高脈動(dòng)電流負(fù)載的情況，可能需要并聯(lián)多個(gè)電容以降低總ESR。

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。為了可靠運(yùn)行，應(yīng)選擇電壓和電流額定值高于最大輸入電壓且能提供開(kāi)關(guān)電路所需RMS電流的電容。除了大容量電容外，還建議使用一些低ESL陶瓷電容進(jìn)行去耦。

選擇自舉電容

集成驅(qū)動(dòng)器具有內(nèi)部自舉肖特基二極管，只需在BOOT和PHASE引腳之間添加一個(gè)外部電容即可完成自舉電路。自舉電容的電壓額定值應(yīng)至少為10V，其電容值可根據(jù)公式(C{BOOT } geq frac{Q{GATE }}{Delta V_{BOOT }})計(jì)算。

驅(qū)動(dòng)器功耗計(jì)算

驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)功耗主要取決于開(kāi)關(guān)頻率和所選MOSFET的總柵極電荷。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，需要進(jìn)行功耗計(jì)算，以確保在所需頻率下安全運(yùn)行。

MOSFET選擇

MOSFET的選擇取決于每個(gè)MOSFET需要傳導(dǎo)的電流、開(kāi)關(guān)頻率、散熱能力以及散熱和氣流的可用性。通常，功率級(jí)中使用的MOSFET的最大(V_{DS})額定值應(yīng)超過(guò)輸入電源的上電壓容差和MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)出現(xiàn)的電壓尖峰之和。

布局考慮

在布局設(shè)計(jì)中，功率層應(yīng)靠近放置，弱模擬或邏輯信號(hào)層應(yīng)位于電路板的另一側(cè)。接地平面層應(yīng)與信號(hào)層相鄰以提供屏蔽。功率組件應(yīng)首先放置，包括MOSFET、輸入和輸出電容以及電感。要保持功率鏈與控制IC之間的距離短，以縮短?hào)艠O驅(qū)動(dòng)走線。同時(shí)，要注意不同引腳的布局要求，如VCC和PVCC引腳的去耦電容應(yīng)靠近IC放置，OCSET和VO引腳的電流傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)連接到電感焊盤并進(jìn)行屏蔽等。

總結(jié)

ISL95870、ISL95870A和ISL95870B這三款芯片以其先進(jìn)的技術(shù)和豐富的功能，為便攜式GPU核心電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體需求，合理選擇芯片型號(hào)，并遵循正確的設(shè)計(jì)方法和布局原則，以充分發(fā)揮芯片的性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用這些芯片的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)什么特別的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。