深入剖析ISL62391/92系列：筆記本電腦高效電源控制解決方案

在筆記本電腦等電池供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電源管理至關(guān)重要。瑞薩（RENESAS）的ISL62391、ISL62392、ISL62391C和ISL62392C控制器，為這類系統(tǒng)提供了高效的電源解決方案。接下來，我們就一起深入了解這個(gè)系列的控制器。

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產(chǎn)品概述

ISL62391、ISL62392、ISL62391C和ISL62392C主要用于為電池供電系統(tǒng)生成電源電壓。它包含兩個(gè)脈寬調(diào)制（PWM）控制器，輸出電壓可在0.6V至5.5V之間調(diào)節(jié)，還有一個(gè)線性穩(wěn)壓器（LDO3），能產(chǎn)生固定的3.3V電壓，最大輸出電流可達(dá)100mA。此外，該系列還具備板載上電排序、電源良好（PGOOD）輸出、數(shù)字軟啟動(dòng)以及內(nèi)部軟停止輸出放電功能，可防止關(guān)機(jī)時(shí)出現(xiàn)負(fù)電壓。

關(guān)鍵特性

高性能R3技術(shù)

采用專利的R3 PWM控制方案，能實(shí)現(xiàn)低抖動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)負(fù)載瞬變有快速響應(yīng)。在輕載時(shí)，通過周期拉伸不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）操作提高效率。為消除音頻頻率應(yīng)用中的噪聲，還加入了超聲波DCM模式，將最小開關(guān)頻率限制在28kHz。

精準(zhǔn)輸出與靈活配置

輸出電壓精度達(dá)到±1%，擁有兩個(gè)完全可編程的開關(guān)模式電源，且開關(guān)頻率可編程。固定的3.3V LDO輸出，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

完善的保護(hù)機(jī)制

具備過壓、欠壓和過流保護(hù)功能，還有熱監(jiān)測和保護(hù)，確保系統(tǒng)在各種情況下都能穩(wěn)定運(yùn)行。

寬工作范圍

輸入電壓范圍為5.5V至25V，工作溫度范圍為 -40°C至 +100°C，適用于多種環(huán)境。

產(chǎn)品差異

ISL62391、ISL62391C和ISL62392、ISL62392C除了過壓保護(hù)處理方式不同外，其他方面基本相同。ISL62391和ISL62391C采用三態(tài)過壓方案，而ISL62392和ISL62392C采用軟撬棍方法。

引腳功能

該系列采用28引腳4x4 TQFN封裝，每個(gè)引腳都有特定的功能，例如：

• PGOOD：開漏電源良好狀態(tài)輸出，通過100k電阻連接到VCC，當(dāng)所有輸出正常且無故障時(shí)輸出高電平。
• FSET1/2：用于設(shè)置開關(guān)模式電源（SMPS）的開關(guān)頻率，通過連接電阻到地進(jìn)行編程。
• FCCM：邏輯輸入，用于控制效率模式，高電平強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），低電平允許完全不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），浮空時(shí)為超聲波DCM操作。

典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多種典型應(yīng)用電路，可生成筆記本電腦中的5V/8A和3.3V/8A（系統(tǒng)調(diào)節(jié)器），或1.05V/15A和1.5V/15A（芯片組）電源。輸入電源（VBAT）范圍為5.5V至25V。

工作原理

三輸出控制器

該系列控制器可生成三個(gè)穩(wěn)壓輸出電壓，其中兩個(gè)由開關(guān)模式電源（SMPS）產(chǎn)生，另一個(gè)由低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）產(chǎn)生。額外的5V LDO（PVCC）用于在操作期間為芯片供電，使控制器能從單個(gè)電源（VIN）調(diào)節(jié)所有輸出，無需單獨(dú)的靜態(tài)電源。

調(diào)制器和開關(guān)頻率

采用Intersil的R3技術(shù)，結(jié)合了固定頻率PWM和可變頻率滯環(huán)控制。R3調(diào)制器合成一個(gè)交流信號(hào)VR，其占空比由通過紋波電容CR的充放電電流決定。開關(guān)頻率與VR的正負(fù)斜率的壓擺率成正比，與VW和VCOMP之間的電壓成反比。

上電復(fù)位

在VIN引腳電壓上升超過上電復(fù)位（POR）閾值之前，控制器處于禁用狀態(tài)；當(dāng)VIN引腳電壓下降到POR下降閾值以下時(shí)，控制器也會(huì)被禁用。同時(shí)，PVCC引腳也會(huì)被監(jiān)控，如果其電壓低于4.2V，SMPS輸出將被關(guān)閉。

使能、軟啟動(dòng)和PGOOD

使用數(shù)字軟啟動(dòng)電路，以可預(yù)測的壓擺率將每個(gè)SMPS的輸出電壓斜坡上升到編程的調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)。PGOOD引腳用于指示轉(zhuǎn)換器是否能夠提供穩(wěn)壓電壓，當(dāng)檢測到故障時(shí)，PGOOD引腳會(huì)拉低，向系統(tǒng)發(fā)出輸出電壓失調(diào)的信號(hào)。

MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)輸出

內(nèi)部有用于高端和低端N溝道MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器。低端柵極驅(qū)動(dòng)器針對(duì)低占空比應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，采用自適應(yīng)直通保護(hù)，典型死區(qū)時(shí)間為21ns。高端柵極驅(qū)動(dòng)器的電源由連接在BOOT和PHASE引腳之間的“引導(dǎo)”電容提供。

二極管仿真

FCCM引腳可控制電源狀態(tài)。當(dāng)FCCM為高電平時(shí)，控制器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)以強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）運(yùn)行，能提供最佳的瞬態(tài)響應(yīng)，但輕載時(shí)功率損耗會(huì)增加；當(dāng)FCCM為低電平時(shí)，控制器在輕載時(shí)自動(dòng)進(jìn)入二極管仿真模式（DEM），以優(yōu)化整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的效率。

保護(hù)功能

• 過流保護(hù)：通過連接在OCSET和PHASE引腳之間的電阻ROCSET來編程過流保護(hù)（OCP）設(shè)定點(diǎn)。當(dāng)OCSET1引腳電壓高于ISEN1引腳電壓超過10μs時(shí)，控制器會(huì)宣布OCP故障。
• 過壓保護(hù)：當(dāng)FB引腳電壓高于過壓閾值超過2μs時(shí)，觸發(fā)OVP故障檢測電路。ISL62391和ISL62391C在故障時(shí)會(huì)將PHASE節(jié)點(diǎn)三態(tài)化，而ISL62392和ISL62392C的LGATE柵極驅(qū)動(dòng)器輸出會(huì)根據(jù)輸出電壓的變化來切換低端MOSFET的開關(guān)狀態(tài)，以保護(hù)負(fù)載。
• 欠壓保護(hù)：當(dāng)FB引腳電壓低于欠壓閾值超過2μs時(shí)，觸發(fā)UVP故障檢測電路，PGOOD引腳會(huì)拉低并鎖存關(guān)閉轉(zhuǎn)換器。

輸出電壓編程

通過連接在OUT和GND引腳之間的兩個(gè)電阻分壓器來編程輸出電壓，輸出電壓范圍為0.6V至5.5V。

補(bǔ)償設(shè)計(jì)

推薦使用Type-II補(bǔ)償電路，通過RTOP、RFB、CFB和CINT組成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)穩(wěn)定性。Intersil還提供基于PC的工具來計(jì)算補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組件值并模擬環(huán)路頻率響應(yīng)。

3.3V線性穩(wěn)壓器

除了兩個(gè)SMPS輸出外，還提供一個(gè)固定的3.3V LDO輸出（LDO3），最大連續(xù)輸出電流為100mA，并有電流限制功能。

熱監(jiān)測和保護(hù)

持續(xù)監(jiān)測芯片的管芯溫度，如果溫度超過 +150°C，所有輸出將被關(guān)閉，直到結(jié)溫降至 +135°C以下。

應(yīng)用設(shè)計(jì)指南

選擇LC輸出濾波器

根據(jù)輸入和輸出電壓計(jì)算占空比，選擇合適的輸出電感和電容，以滿足輸出電流紋波和電壓紋波的要求。同時(shí)，要考慮電感的飽和特性和電容的ESR、電感等參數(shù)。

選擇輸入電容

選擇具有足夠電壓和RMS電流額定值的大容量輸入電容，同時(shí)推薦使用低ESL陶瓷電容進(jìn)行去耦。

MOSFET選擇

選擇具有足夠VDS額定值的MOSFET，高端MOSFET應(yīng)強(qiáng)調(diào)低柵極電荷，低端MOSFET應(yīng)強(qiáng)調(diào)低rDS(ON)。

選擇引導(dǎo)電容

根據(jù)高端MOSFET的總柵極電荷和允許的電壓衰減來選擇引導(dǎo)電容。

布局考慮

功率層應(yīng)位于PCB底層，弱模擬或邏輯信號(hào)層位于頂層，接地層應(yīng)與頂層相鄰以提供屏蔽。兩個(gè)SMPS輸出的功率電路應(yīng)對(duì)稱布局，確?？刂破髟陉P(guān)鍵開關(guān)決策時(shí)不會(huì)偏向某一通道。

總結(jié)

ISL62391、ISL62392、ISL62391C和ISL62392C控制器為筆記本電腦等電池供電系統(tǒng)提供了高效、可靠的電源解決方案。其豐富的功能和完善的保護(hù)機(jī)制，能滿足不同應(yīng)用場景的需求。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體要求合理選擇組件和進(jìn)行布局，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。你在使用這類控制器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。