深入剖析 ISL81806：80V 雙同步降壓控制器的卓越性能與應(yīng)用指南

在電子工程師的設(shè)計(jì)生涯中，選擇一款合適的降壓控制器至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討瑞薩電子（Renesas）的 ISL81806 雙同步降壓控制器，它在工業(yè)和通用領(lǐng)域的各種應(yīng)用中展現(xiàn)出了出色的性能。

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一、ISL81806 概述

ISL81806 是一款雙同步降壓控制器，能夠生成兩個(gè)獨(dú)立輸出或一個(gè)具有兩個(gè)交錯(cuò)相位的輸出，適用于電信、數(shù)據(jù)中心和計(jì)算等廣泛應(yīng)用。其輸入和輸出電壓范圍寬廣，輸入電壓范圍為 4.5V 至 80V，輸出電壓范圍為 0.8V 至 76V，為不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了極大的靈活性。

該控制器提供 5.3V 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，死區(qū)時(shí)間設(shè)置小，非常適合 E 模式 GaN FET 設(shè)備。它采用峰值電流模式控制，并對(duì)兩個(gè)輸出進(jìn)行相位交錯(cuò)，每個(gè)輸出都有電壓調(diào)節(jié)器、電流監(jiān)視器和平均電流調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的平均電壓和電流控制。內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）振蕩器可確保 100kHz 至 2MHz 的精確頻率設(shè)置，并且振蕩器可以與外部時(shí)鐘信號(hào)同步，用于頻率同步和相位交錯(cuò)并聯(lián)應(yīng)用。

二、關(guān)鍵特性分析

2.1 寬電壓范圍

寬輸入和輸出電壓范圍使得 ISL81806 能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境，無(wú)論是高電壓輸入的工業(yè)設(shè)備，還是低電壓輸出的精密電子器件，它都能穩(wěn)定工作。

2.2 高效驅(qū)動(dòng)能力

5.3V 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓和四個(gè) FET 驅(qū)動(dòng)器，為驅(qū)動(dòng) E 模式 GaN FET 提供了足夠的動(dòng)力，同時(shí)小死區(qū)時(shí)間設(shè)置有助于提高效率。

2.3 靈活的工作模式

支持雙交錯(cuò)輸出或單輸出的雙相交錯(cuò)操作，并且可編程頻率范圍為 100kHz 至 2MHz，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行靈活調(diào)整。

2.4 輕載效率增強(qiáng)

通過(guò)低紋波二極管仿真和突發(fā)模式操作，在輕載情況下能夠有效提高效率，降低功耗。

2.5 全面保護(hù)功能

具備過(guò)壓保護(hù)（OVP）、欠壓保護(hù)（UVP）、過(guò)溫保護(hù)（OTP）以及平均和峰值電流限制等功能，確保了系統(tǒng)的高可靠性。

三、引腳信息詳解

ISL81806 共有 32 個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能。以下是一些關(guān)鍵引腳的介紹：

3.1 COMP1 和 COMP2

分別為通道 1 和通道 2 的電壓誤差 GM 放大器輸出，用于設(shè)置內(nèi)部電流環(huán)的參考。反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接在 COMP 引腳和 SGND 引腳之間，當(dāng) COMP 引腳電壓低于 1.1V 時(shí)，PWM 占空比降至 0%。

3.2 SS/TRK1 和 SS/TRK2/OV

用于軟啟動(dòng)或跟蹤控制。當(dāng)用于軟啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)連接到地的軟啟動(dòng)電容來(lái)設(shè)置輸出電壓的上升斜率；當(dāng)用于跟蹤時(shí)，可使輸出電壓跟蹤外部電源的電壓。

3.3 VCC5V

內(nèi)部 5V 線性穩(wěn)壓器的輸出，為 IC 提供偏置電壓，必須使用至少 4.7μF 的陶瓷電容進(jìn)行去耦。

3.4 RT/SYNC

通過(guò)連接到地的電阻來(lái)設(shè)置默認(rèn)開(kāi)關(guān)頻率，也可以與外部時(shí)鐘信號(hào)同步。

3.5 CLKOUT/DITHER

具有雙重功能，可輸出時(shí)鐘信號(hào)用于同步其他 ISL81806 控制器，也可在連接電容時(shí)啟用頻率抖動(dòng)功能。

四、工作模式與控制策略

4.1 軟啟動(dòng)與跟蹤操作

軟啟動(dòng)功能通過(guò)調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)電容的充電時(shí)間來(lái)緩解啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，其典型軟啟動(dòng)時(shí)間可根據(jù)公式 $t{SS}=0.8Vleft(frac{C{SS}}{2 mu A}right)$ 計(jì)算。當(dāng)軟啟動(dòng)時(shí)間小于 1.7ms 時(shí)，內(nèi)部 1.7ms 的軟啟動(dòng)電路將接管。同時(shí)，該引腳還可用于跟蹤操作，使輸出電壓跟蹤外部電源的電壓。

4.2 控制環(huán)路

ISL81806 集成了兩個(gè)相同的降壓控制器，采用峰值電流模式 PWM 控制算法。通過(guò)電流感測(cè)電阻或 DCR 感測(cè)來(lái)獲取電感電流信號(hào)，由 COMP 引腳的電壓控制電感電流。四個(gè)誤差放大器（Gm1 - 4）分別控制通道 1 和通道 2 的輸出電壓和電流，實(shí)現(xiàn)恒定電壓和恒定電流輸出。

4.3 輕載效率增強(qiáng)

可通過(guò)設(shè)置 DE 模式和突發(fā)模式來(lái)提高輕載效率。當(dāng)設(shè)置為 DE 模式時(shí)，電感電流不允許反向，在輕載條件下進(jìn)入二極管仿真模式。當(dāng)負(fù)載電流小于設(shè)定值時(shí)，進(jìn)入突發(fā)模式，此時(shí) BSTEN 引腳變低。通過(guò)在 BSTEN 和 IMON 引腳之間添加電阻可擴(kuò)展滯后，避免進(jìn)入/退出突發(fā)模式時(shí)的抖動(dòng)。

五、保護(hù)電路設(shè)計(jì)

5.1 過(guò)流保護(hù)（OCP）

包括輸出平均過(guò)流保護(hù)、逐脈沖峰值電流限制、打嗝式峰值電流保護(hù)和逐脈沖負(fù)峰值電流限制。通過(guò)連接不同阻值的電阻到 LG2/OC_MODE 引腳，可以設(shè)置不同的 OCP 模式。

5.2 過(guò)壓保護(hù)（OVP）

過(guò)壓設(shè)定點(diǎn)為標(biāo)稱輸出電壓的 114%。當(dāng)發(fā)生過(guò)壓事件時(shí)，IC 嘗試通過(guò)關(guān)閉高端 FET 并打開(kāi)低端 FET 來(lái)使輸出電壓恢復(fù)正常。如果過(guò)壓情況持續(xù)，電感電流變?yōu)樨?fù)值，觸發(fā)負(fù)峰值電流限制，轉(zhuǎn)換器將能量從輸出端轉(zhuǎn)移到輸入端。

5.3 過(guò)溫保護(hù)（OTP）

當(dāng)芯片溫度達(dá)到 +160°C 時(shí)，過(guò)溫保護(hù)電路將關(guān)閉 IC。當(dāng)溫度降至 +145°C 以下時(shí)，通過(guò)完整的軟啟動(dòng)周期恢復(fù)正常工作。在 OTP 關(guān)閉期間，IC 僅消耗 100μA 電流。

六、布局與元件選擇建議

6.1 布局指南

• 優(yōu)先放置輸入電容、降壓 FET、電感和輸出電容，并將這些功率元件隔離在電路板的專用區(qū)域，使其接地端子相鄰。
• 輸入和輸出高頻去耦陶瓷電容應(yīng)靠近 FET 放置，以減少噪聲干擾。
• 保持輸入電容、降壓 FET 和電感形成的環(huán)路盡可能小，以降低電磁干擾。
• 信號(hào)組件和 IC 與功率電路分開(kāi)布局時(shí)，可使用內(nèi)部層的完整接地平面共享 SGND 和 PGND；否則，應(yīng)使用單獨(dú)的接地平面，并在靠近 IC 處連接 SGND 和 PGND。
• 確保 PWM 控制器 IC 靠近低端 FET，F(xiàn)ET 柵極驅(qū)動(dòng)連接應(yīng)短而寬，IC 應(yīng)放置在安靜的接地區(qū)域，避免開(kāi)關(guān)接地環(huán)路電流。
• VDD 旁路電容應(yīng)靠近 IC 的 VDD 引腳放置，并將其接地端連接到 PGND 引腳，通過(guò)過(guò)孔將 PGND 引腳連接到接地平面。
• 柵極驅(qū)動(dòng)組件（BOOT 二極管和 BOOT 電容）應(yīng)靠近控制器 IC 放置，使用銅填充多邊形或?qū)挾疼E線連接上 FET、下 FET 和輸出電感的結(jié)點(diǎn)，并保持 PHASE 結(jié)點(diǎn)與 IC 的連接短。
• 高速開(kāi)關(guān)結(jié)點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離控制電路，創(chuàng)建一個(gè)靠近 IC 的獨(dú)立小模擬接地平面，將 SGND 引腳連接到該平面，并將所有小信號(hào)接地路徑連接到該 SGND 平面。
• 輸入或輸出電流感測(cè)連接應(yīng)使用一對(duì)具有最小環(huán)路的跡線，確保反饋連接到輸出電容的路徑短而直接。

6.2 元件選擇

• 功率 FET：根據(jù) $r{DS(ON)}$、柵極電源要求和熱管理考慮選擇 FET，確保其最大工作電壓能夠承受最大 $V{IN}$ 電壓，并通過(guò)計(jì)算傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗來(lái)評(píng)估功率耗散。
• 電感：根據(jù)輸出電壓紋波要求選擇電感值，通常在滿載輸出條件下，紋波電流比率為電感平均電流的 30% 至 70%。
• 輸出電容：選擇輸出電容以滿足動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)要求，包括紋波電壓和負(fù)載瞬態(tài)。輸出電容的選擇還取決于電感，需要進(jìn)行一些電感分析。輸出電容的計(jì)算公式為 $C{OUT }=frac{(L)left(I{TRAN }right)^{2}}{2left(V{IN }-V{OUT }right)left(D V{OUT }right)}$，輸出電壓紋波由電感紋波電流和輸出電容的 ESR 決定，即 $V{RIPPLE }=Delta I_{L}(ESR)$。
• 輸入電容：選擇輸入電容時(shí)，要考慮電壓額定值和 RMS 電流額定值。電容電壓額定值應(yīng)至少為最大輸入電壓的 1.25 倍，建議為 1.5 倍。AC RMS 輸入電流隨負(fù)載變化，計(jì)算公式為 $I{RMS }=sqrt{DC - DC^{2}} × I{OUT }$，在 $V{IN }=2 ×V{OUT }$，$DC = 50%$ 時(shí)，最大 RMS 電流為 $I{RMS }=frac{1}{2} × I{OUT }$。使用混合輸入旁路電容控制 FET 兩端的電壓紋波，高頻去耦使用陶瓷電容，大容量電容提供 RMS 電流。

七、總結(jié)

ISL81806 作為一款功能強(qiáng)大的雙同步降壓控制器，在性能、靈活性和保護(hù)功能方面都表現(xiàn)出色。其寬電壓范圍、高效驅(qū)動(dòng)能力、多種工作模式和全面的保護(hù)電路，使其成為工業(yè)和通用領(lǐng)域各種應(yīng)用的理想選擇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇元件并優(yōu)化布局，以充分發(fā)揮 ISL81806 的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計(jì)。

希望通過(guò)本文的介紹，能幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用 ISL81806 控制器，在實(shí)際設(shè)計(jì)中取得更好的效果。如果你在使用過(guò)程中有任何問(wèn)題或經(jīng)驗(yàn)，歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。