深入解析ISL6721：靈活的單端電流模式PWM控制器

控制器概述

ISL6721是一款低功耗、單端脈沖寬度調(diào)制（PWM）電流模式控制器，專為廣泛的DC/DC轉(zhuǎn)換應用而設計，包括升壓、反激和隔離輸出配置。它采用峰值電流模式控制，能有效處理電源瞬變，并提供固有的過流保護。其先進的BiCMOS設計具有低工作電流、高達1MHz的可調(diào)工作頻率、可調(diào)軟啟動以及雙向同步信號等特點。

文件下載：ISL6721EVAL1.pdf

應用領(lǐng)域

• 電信和數(shù)據(jù)通信電源
• 無線基站電源
• 文件服務器電源
• 工業(yè)電源系統(tǒng)
• 隔離降壓和反激調(diào)節(jié)器
• 升壓調(diào)節(jié)器

主要特性

• 1A MOSFET柵極驅(qū)動器
• 100μA啟動電流
• 采用峰值電流模式控制實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應
• 可調(diào)開關(guān)頻率高達1MHz
• 雙向同步功能
• 低功耗禁用模式
• 過壓和過流關(guān)斷故障后的延遲重啟
• 可調(diào)斜率補償
• 可調(diào)軟啟動
• 可調(diào)過流關(guān)斷閾值
• 可調(diào)欠壓和過壓監(jiān)測
• 前沿消隱
• 集成熱關(guān)斷
• 1%容差電壓基準
• 無鉛可選（符合RoHS標準）

電氣特性

絕對最大額定值

熱信息

工作條件

• 溫度范圍：ISL6721Ax為 -40°C 至 +105°C
• 電源電壓范圍（典型值）：9VDC 至 18VDC

電氣規(guī)格

涵蓋欠壓鎖定、參考電壓、電流檢測、誤差放大器、振蕩器、同步、軟啟動、斜率補償、柵極輸出、過流保護、過壓和欠壓監(jiān)測以及熱保護等方面的詳細參數(shù)。例如，欠壓鎖定的啟動閾值為7.95 - 8.55V，停止閾值為7.40 - 8.20V；參考電壓在不同溫度范圍內(nèi)的精度有所不同。

引腳功能

SLOPE

用于增加ISENSE斜坡斜率，以提高噪聲免疫力或改善占空比大于50%時的控制環(huán)路穩(wěn)定性。內(nèi)部電流源在每個開關(guān)周期對外部電容充電至GND，產(chǎn)生的斜坡按比例添加到ISENSE信號中。

SYNC

雙向同步信號，用于協(xié)調(diào)多個單元的開關(guān)頻率?？赏ㄟ^連接各單元的SYNC信號或使用外部主時鐘信號實現(xiàn)同步。即使使用外部時鐘，仍需要振蕩器定時電容 (C_{T}) 。

RTCT

振蕩器定時控制引腳。通過在VREF和該引腳之間連接電阻 (R{T}) ，以及從該引腳到LGND連接定時電容 (C{T}) ，可設置工作頻率和最大占空比。

COMP

誤差放大器的輸出和PWM比較器的輸入。控制環(huán)路頻率補償網(wǎng)絡連接在COMP和FB引腳之間。

FB

反饋電壓輸入，連接到誤差放大器的反相輸入。當FB輸入小于2.0V時，電流檢測前沿消隱功能禁用。

OV 和 UV

分別為過壓和欠壓監(jiān)測輸入引腳，與內(nèi)部參考電壓比較以檢測相應的異常情況。

ISENSE

電流檢測比較器的輸入。IC有兩個電流檢測比較器，分別用于峰值電流模式控制和過流保護。過流比較器閾值可通過ISET引腳調(diào)節(jié)。

LGND 和 PGND

LGND是所有模擬功能的小信號參考地，PGND為輸出柵極驅(qū)動器提供專用接地。兩者應通過靠近IC的短印刷電路板走線外部連接。

GATE

器件輸出，是一個高電流功率驅(qū)動器，能夠以1.0A的峰值電流驅(qū)動功率MOSFET的柵極。當VCC低于UVLO閾值時，GATE輸出被主動拉低。

VC

用于輸出柵極驅(qū)動的單獨集電極電源。單獨的VC和PGND有助于將IC的模擬電路與高功率柵極驅(qū)動噪聲解耦。

VCC

器件的電源連接。靜態(tài)電流ICC較低，但取決于工作頻率。為優(yōu)化噪聲免疫力，應使用陶瓷電容盡可能靠近VCC和LGND引腳進行旁路。

VREF

5V參考電壓輸出。使用0.01μF或更大的電容旁路到LGND以過濾該輸出。

SS

連接軟啟動電容到LGND，以控制軟啟動的持續(xù)時間。電容值決定了啟動期間占空比的增加速率，也控制過流關(guān)斷延遲。

ISET

施加0.35V至1.2V的直流電壓到該輸入，可設置逐脈沖過流閾值。

功能描述

振蕩器

ISL6721具有一個鋸齒波振蕩器，可編程頻率范圍可達1MHz，可通過RTCT引腳的電阻和電容進行編程。

同步實現(xiàn)

振蕩器可通過SYNC引腳同步到外部時鐘，或通過連接多個IC的SYNC引腳實現(xiàn)同步。外部主時鐘信號的頻率至少應為振蕩器自由運行頻率的65%，且脈沖寬度應大于20ns。

軟啟動操作

采用外部電容和內(nèi)部電流源實現(xiàn)軟啟動，可減少啟動期間的電壓應力和浪涌電流。啟動時，軟啟動電路將誤差放大器輸出（COMP引腳）鉗位到與軟啟動電壓成比例的值，隨著軟啟動電容電壓上升，輸出脈沖寬度從0增加到穩(wěn)態(tài)工作占空比。

柵極驅(qū)動

能夠提供和吸收1A的峰值電流。單獨的集電極電源（VC）和功率地（PGND）引腳有助于將IC的模擬電路與高功率柵極驅(qū)動噪聲隔離。

斜率補償

對于占空比小于50%的應用，斜率補償可提高噪聲免疫力；對于占空比大于50%的應用，斜率補償是防止不穩(wěn)定所必需的。

過壓和欠壓監(jiān)測

OV和UV信號輸入到窗口比較器，用于監(jiān)測轉(zhuǎn)換器的輸入電壓水平。如果電壓超出用戶指定的工作范圍，將發(fā)生關(guān)斷故障。

過流操作

過流閾值由ISET引腳的電壓設置。當檢測到過流情況時，軟啟動充電電流源禁用，放電電流源啟用，軟啟動電容開始放電。如果放電到4.375V以下，輸出將被禁用，Icc降至200μA約295ms，然后啟動新的軟啟動周期。

前沿消隱

ISENSE輸入的電流反饋信號的初始100ns被前沿消隱電路去除，防止電源寄生元件產(chǎn)生的電流尖峰導致PWM比較器和過流比較器誤觸發(fā)。

故障條件

當VREF低于4.65V、OV輸入超過2.50V、UV輸入低于1.45V或管芯結(jié)溫超過約+130°C時，將發(fā)生故障。檢測到故障時，GATE輸出被禁用，軟啟動電容快速放電。

設計應用

參考設計

“典型升壓轉(zhuǎn)換器應用原理圖”展示了ISL6721在傳統(tǒng)雙輸出10W不連續(xù)模式反激式DC/DC轉(zhuǎn)換器中的應用。輸入電壓范圍為36VDC至75VDC，兩個輸出分別為3.3V/2.5A和1.8V/1.0A。

電路元件描述

包括輸入存儲和濾波電容、隔離變壓器、初級電壓鉗位、啟動偏置調(diào)節(jié)器、工作偏置和調(diào)節(jié)器、主MOSFET功率開關(guān)、電流檢測網(wǎng)絡、反饋網(wǎng)絡、控制電路、輸出整流和濾波以及次級緩沖器等。

設計標準

• 開關(guān)頻率：200kHz
• 輸入電壓 (V_{IN}) ：36V至75V
• 輸出電壓 (V{OUT(1)}) ：3.3V/2.5A， (V{OUT(2)}) ：1.8V/1.0A， (V_{OUT(BIAS)}) ：12V/50mA
• 輸出功率 (P_{out}) ：10W
• 效率：70%
• 最大占空比 (D_{MAX}) ：0.45

變壓器設計

是一個迭代過程，需要考慮多個因素，如核心幾何形狀、核心材料、最大磁通密度、核心尺寸、匝數(shù)、匝數(shù)比、線規(guī)、繞組順序和絕緣要求等。

功率MOSFET選擇

需要考慮應用中遇到的電壓和電流應力、器件的功耗、尺寸和成本等因素。

輸出濾波器設計

主要關(guān)注輸出濾波器電容的紋波電流應力以及輸出的紋波和噪聲規(guī)格。

控制環(huán)路設計

反饋控制環(huán)路的主要組件包括可編程并聯(lián)穩(wěn)壓器、光耦合器和ISL6721的反相放大器。環(huán)路補償圍繞轉(zhuǎn)換器次級側(cè)的誤差放大器進行。

總結(jié)

ISL6721是一款功能強大、特性豐富的單端電流模式PWM控制器，適用于多種DC/DC轉(zhuǎn)換應用。在設計過程中，需要綜合考慮各個方面的因素，包括電氣特性、引腳功能、功能描述以及具體的設計應用等，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。你在使用ISL6721進行設計時，是否也遇到過一些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。