Intersil ISL6439/ISL6439A：宽带网关应用的单同步降压PWM控制器

在电子设计领域，为DC/DC降压转换器实现完整的控制和保护方案是一项关键任务。Intersil的ISL6439和ISL6439A单同步降压PWM控制器，为宽带网关应用提供了出色的解决方案，下面我们来详细了解一下。

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产品概述

ISL6439能够轻松实现DC/DC降压转换器的完整控制和保护方案。它专为驱动同步降压拓扑中的N沟道MOSFET而设计，将控制、输出调节、监控和保护功能集成到一个封装中。该控制器提供简单的单反馈环路、电压模式控制，具有快速瞬态响应能力。输出电压可精确调节至低至0.8V，在温度和线电压变化范围内，最大容差为±1.5%。固定频率振荡器降低了设计复杂度，同时平衡了典型应用的成本和效率。

产品特性

电源与输出范围

• 输入电压：可在3.3V至5V的输入电压下工作。
• 输出范围：输出范围为0.8V至输入电压（VIN），内部参考电压为0.8V，在负载、线电压和温度变化时，精度可达±1.5%。

控制与驱动能力

• 驱动方式：能够驱动N沟道MOSFET。
• 控制设计：采用简单的单环控制设计，基于电压模式PWM控制。
• 瞬态响应：具有快速瞬态响应能力，得益于高带宽误差放大器，可实现0%至100%的全占空比。

保护与其他特性

• 过流保护：采用无损、可编程的过流保护，利用上MOSFET的rDS(on)进行监测，无需电流检测电阻，提高了效率。
• 电流处理：转换器能够源和吸收电流。
• 尺寸与频率：转换器尺寸小，内部集成固定频率振荡器，ISL6439为300kHz，ISL6439A为600kHz。
• 软启动：具备内部软启动功能。
• 封装形式：提供14引脚SOIC或16引脚5x5 QFN封装，QFN封装符合JEDEC PUB95 MO - 220标准，接近芯片级封装尺寸，提高了PCB效率，且外形更薄，同时为无铅（符合RoHS标准）产品。

应用领域

ISL6439和ISL6439A适用于多种应用场景，包括电缆调制解调器、机顶盒和DSL调制解调器、DSP和核心通信处理器电源、内存电源、个人计算机外设、工业电源、3.3V输入DC/DC稳压器以及低压分布式电源等。

引脚说明

14引脚SOIC和16引脚5x5 QFN封装

• VCC：为ISL6439提供偏置电源，需连接一个经过良好去耦的3.3V电源。
• COMP和FB：是误差放大器的外部引脚，FB是内部误差放大器的反相输入，COMP是误差放大器的输出，用于补偿转换器的电压控制反馈环路。
• GND：代表IC的信号和电源地，应通过最低阻抗连接到接地岛/平面。
• PHASE：连接到上MOSFET的源极，用于监测上MOSFET两端的电压降，以实现过流保护。
• UGATE：连接到上MOSFET的栅极，提供PWM控制的栅极驱动，同时被自适应直通保护电路监测，以确定上MOSFET何时关闭。
• BOOT：为上MOSFET驱动器提供接地参考偏置电压，通过自举电路产生适合驱动逻辑电平N沟道MOSFET的电压。
• LGATE：连接到下MOSFET的栅极，提供PWM控制的栅极驱动，也被自适应直通保护电路监测，以确定下MOSFET何时关闭。
• OCSET：通过一个电阻（ROCSET）连接到上MOSFET的漏极（VIN），ROCSET、内部20μA电流源（IOCSET）和上MOSFET导通电阻（rDS(ON)）根据公式 (PEAK =frac{I{OCSET } × R{OCSET }}{r_{DS(ON)}}) 设置转换器的过流（OC）触发点。过流触发会使软启动功能循环。
• ENABLE：为集电极开路使能引脚，将该引脚拉至低于0.8V的电平将禁用控制器，此时振荡器停止，LGATE和UGATE输出保持低电平，软启动电路重新启动。
• CT1和CT2：用于连接外部电荷泵电容器，建议使用至少0.1μF的陶瓷电容器，以确保IC正常工作。
• CPVOUT：代表电荷泵的输出，该引脚的电压是IC的偏置电压，需连接一个去耦电容器到地，去耦电容器的值应至少为电荷泵电容器值的10倍，该引脚可连接到自举电路，作为产生BOOT电压的源。
• CPGND：代表电荷泵的信号和电源地，应通过最低阻抗连接到接地岛/平面。

功能描述

初始化

ISL6439在通电时会自动初始化，无需对输入电源进行特殊排序。上电复位（POR）功能持续监测电荷泵的输出电压，在POR期间，电荷泵在自由运行振荡器上工作，一旦达到POR电平，电荷泵振荡器将与PWM振荡器同步。POR功能还会在电荷泵输出电压超过其POR阈值后启动软启动操作。

软启动

POR功能启动数字软启动序列，PWM误差放大器参考被钳位到与软启动电压成比例的电平。随着软启动电压上升，PWM比较器产生宽度逐渐增加的PHASE脉冲，对输出电容器充电，从而实现快速且受控的输出电压上升，软启动序列通常约需6.5ms。

直通保护

当上下MOSFET同时导通时，会发生直通情况，导致输入电压直接短路到地。为保护稳压器，ISL6439采用专门的电路，确保互补MOSFET不会同时导通。自适应直通保护通过监测下栅极驱动引脚LGATE和上栅极驱动引脚UGATE来确定MOSFET的导通或关断状态。如果UGATE或LGATE到GND的电压低于0.8V，则相应的MOSFET被定义为关断，互补MOSFET导通。这种保护方法允许稳压器源和吸收电流，但在设计时，工程师需要考虑在栅极驱动器和相应MOSFET栅极之间引入外部组件可能带来的影响，因为这可能会干扰直通保护功能。

输出电压选择

输出电压可在VIN和内部参考电压0.8V之间进行编程。通过外部电阻分压器将输出电压相对于参考电压进行缩放，并反馈到误差放大器的反相输入。建议将R1的值保持在5kΩ以下，因为其值会影响其他补偿组件的值。R4可根据公式 (R 4=frac{R 1 × 0.8 V}{V_{OUT 1}-0.8 V}) 计算。如果所需输出电压为0.8V，只需通过R1将输出路由回FB引脚，而不安装R4。

过流保护

过流功能通过监测上MOSFET的导通电阻rDS(ON)来保护转换器免受输出短路的影响，这种方法消除了电流检测电阻，提高了转换器的效率并降低了成本。过流功能以打嗝模式循环软启动功能，提供故障保护。通过一个电阻（ROCSET）对过流触发电平进行编程，内部20μA（典型值）电流源在ROCSET上产生一个参考VIN的电压。当跨过上MOSFET的电压（同样参考VIN）超过ROCSET上的电压时，过流功能启动软启动序列。为避免在正常工作负载范围内过流触发，需要根据MOSFET的最大rDS(ON)（在最高结温下）、规格表中的最小IOCSET以及输出电感纹波电流来确定ROCSET电阻的值。同时，应在ROCSET上并联一个小陶瓷电容器，以平滑输入电压上开关噪声引起的ROCSET两端的电压。

电流吸收

ISL6439采用MOSFET直通保护方法，允许转换器吸收电流以及提供电流。在设计可能吸收电流的转换器时，需要格外小心。当转换器吸收电流时，它表现为一个调节其输入电压的升压转换器，这意味着转换器将电流升压到稳压器的输入轨。如果该电流无处可去，输入轨上的电容将吸收该电流，导致输入轨电压升高。如果轨电压升高到超过连接到输入轨的任何组件的最大电压额定值，这些组件可能会发生不可逆故障或承受压力，从而缩短其使用寿命。因此，确保电流有除轨电容之外的流通路径可以防止这种故障模式。

应用指南

布局考虑

在高频开关转换器设计中，布局非常重要。由于功率器件以300kHz或600kHz的频率高效开关，电流在器件之间的转换会在互连阻抗和寄生电路元件上产生电压尖峰，这些电压尖峰可能会降低效率、向电路辐射噪声并导致器件过电压应力。因此，需要精心进行组件布局和印刷电路板设计，以最小化转换器中的电压尖峰。

在DC/DC转换器中，有两组关键组件。开关组件最为关键，因为它们切换大量能量，容易产生大量噪声；其次是连接到敏感节点或提供关键旁路电流和信号耦合的小信号组件。建议使用多层印刷电路板，将一个实心层（通常是PCB的中间层）用作接地平面，通过过孔将所有关键组件的接地连接到该层；另一个实心层用作电源平面，并将其划分为具有共同电压水平的较小岛。保持从PHASE端子到输出电感的金属走线短，电源平面应支持输入电源和输出电源节点。在顶部和底部电路层使用铜填充多边形作为相位节点，其余印刷电路层用于小信号布线。从GATE引脚到MOSFET栅极的布线应短而宽，以轻松处理1A的驱动电流。

开关组件应首先靠近ISL6439放置，通过将输入电容器（CIN）放置在附近，最小化它们与功率开关之间的连接长度。将陶瓷和大容量输入电容器尽可能靠近上MOSFET的漏极放置。将输出电感和输出电容器放置在上MOSFET和下MOSFET与负载之间。

关键小信号组件包括任何旁路电容器、反馈组件和补偿组件。将旁路电容器CBP靠近VCC引脚放置，并通过过孔直接连接到接地平面。将PWM转换器补偿组件靠近FB和COMP引脚放置。两个稳压器的反馈电阻也应尽可能靠近相关的FB引脚放置，并根据需要通过过孔直接连接到接地平面。

反馈补偿

对于同步整流降压转换器的电压模式控制环路，输出电压（VOUT）被调节到参考电压水平。误差放大器（Error Amp）的输出（VE/A）与振荡器（OSC）的三角波进行比较，以在PHASE节点提供一个幅度为VIN的脉宽调制（PWM）波，该PWM波通过输出滤波器（L和CO）进行平滑。

调制器传递函数是VOUT/VE/A的小信号传递函数，主要由直流增益和输出滤波器（L - O和CO）决定，在FLC处有一个双极点转折频率，在FESR处有一个零点。调制器的直流增益简单地等于输入电压（VIN）除以振荡器的峰 - 峰电压ΔVOSC。

补偿网络由误差放大器（ISL6439内部）和阻抗网络ZIN和ZFB组成，其目标是提供一个具有最高0dB交叉频率（fodB）和足够相位裕度的闭环传递函数。相位裕度是fodB处的闭环相位与180度之间的差值。通过合理选择补偿网络的极点、零点和增益，可以实现稳定的控制环路，稳定的控制环路应具有 - 20dB/decade斜率的增益交叉和大于45度的相位裕度，在确定相位裕度时应考虑最坏情况下的组件变化。

组件选择指南

电荷泵电容器选择

当IC在3.3V下工作时，需要在CT1和CT2引脚之间连接一个电容器，以产生ISL6439的适当偏置电压。选择合适的电容值非常重要，以确保偏置电流和MOSFET栅极所需的电流不会使电容器负担过重。可根据公式 (C{PUMP }=frac{I{BiasAndGate }}{V{CC} × f{S}} × 1.5) 进行选择。

输出电容器选择

输出电容器用于过滤输出并提供负载瞬态电流。滤波要求取决于开关频率和纹波电流，负载瞬态要求取决于转换速率（di/dt）和瞬态负载电流的大小。通常通过混合使用电容器和精心布局来满足这些要求。

现代数字IC可能会产生高瞬态负载转换速率，高频电容器首先提供瞬态电流，减缓大容量电容器所看到的电流负载速率。大容量滤波电容器的值通常由ESR（有效串联电阻）和电压额定要求决定，而不是实际电容要求。高频去耦电容器应尽可能靠近负载的电源引脚放置，注意避免在电路板布线中增加电感，以免抵消这些低电感组件的作用。对于大容量电容器，应使用专门为开关稳压器应用设计的低ESR电容器，其ESR值将决定输出纹波电压和高转换速率瞬态后的初始电压降。在大多数情况下，多个小尺寸电解电容器的性能优于单个大尺寸电容器。

输出电感选择

输出电感的选择应满足输出电压纹波要求，并最小化转换器对负载瞬态的响应时间。电感值决定了转换器的纹波电流，纹波电压与纹波电流有关。纹波电压和电流可通过公式 (Delta I=frac{V{I N}-V{OUT }}{f{S} × L} × frac{V{OUT }}{V{I N}}) 和 (Delta V{OUT }=Delta I × E S R) 进行近似计算。增加电感值可以降低纹波电流和电压，但会降低转换器对负载瞬态的响应时间。

Intersil的ISL6439和ISL6439A单同步降压PWM控制器为宽带网关应用提供了全面而高效的解决方案。通过合理的布局、反馈补偿和组件选择，可以充分发挥其性能优势，满足各种应用需求。在实际设计中，工程师们还需要根据具体情况进行深入分析和优化，你在使用这款控制器时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。