探索 ISL6752/54EVAL1Z：零电压开关 DC/DC 电源评估板

在电源设计领域，效率、性能和稳定性是永恒的追求。今天，我们将深入探讨瑞萨（Renesas）的 ISL6752/54EVAL1Z，这是一款采用同步整流器的零电压开关（ZVS）DC/DC 电源评估板，它在提升效率和优化性能方面有着出色的表现。

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评估板概述

ISL6752/54EVAL1Z 是在 iSL6752EVAL1Z 基础上的全新设计，通过多项设计改进，将效率从 90% 提升至 95%。其控制电路从主板移至子卡，提供了分别采用 ISL6752 和 ISL6754 的两种不同子卡，且都采用了英特矽尔（Intersil）的零电压开关（ZVS）拓扑。同时，该评估板还采用了 N 沟道 FET 作为次级侧整流器，即同步整流器（SR），显著降低了次级侧整流器的功耗。

规格参数

项目	参数
绝对最大输入电压	450VDC
工作输入电压	350VDC 至 450VDC
最大输入电流	2.5ADC
额定输出电流	50ADC
电流限制	60A±5%
输出电压	12V±5%
100%（50A）负载时效率	95%
20%（10A）负载时效率	92%

电路结构剖析

子卡设计

ISL6752 和 ISL6754 控制 IC 分别位于各自的子卡上。子卡将控制 IC 置于初级侧，电压误差放大器置于次级侧，并保持了初级和次级之间的爬电间距。这种设计消除了驱动初级侧桥接 FET 所需的两个交流线路隔离栅极驱动变压器，简化了电流传感变压器的设计。

两款子卡的主要功能区别在于电流限制的实现方式：ISL6752 采用逐脉冲电流限制，ISL6754 则采用平均电流限制。此外，子卡上设有特殊测试点，方便用户进行评估测试。

ZVS 全桥电路

低侧 FET（(Q{3}) 和 (Q{4})）由 ISL89160 MOSFET 驱动器 U1 直接驱动，高侧 FET（(Q{1}) 和 (Q{2})）则由 ISL89160 驱动器 U2 通过电平转换栅极驱动变压器 T3 间接驱动。T3 的设计仅需 400V 工作绝缘，且始终由方波驱动，避免了非对称驱动波形带来的问题。

高压保护电路

为防止桥接故障对初级侧控制元件造成灾难性损坏，评估板采用了电压撬棒（F1 和 (D{3})）和电压阻断二极管（(D{4})）。(D{3}) 将偏置电压钳位到安全水平，F1 在 (D{3}) 导通电流后不久会断开，(D_{4}) 则可防止高压施加到 13V 实验室电源上。

初级侧电流传感

初级侧桥接采用两个电流传感变压器（(T{2}) 和 (T{4})），分别位于低侧桥接 FET 的漏极上。这种设计允许每个 CT 在交替半周期内复位，有效解决了反向 SR 电流可能导致的电流传感变压器电路故障问题。

同步整流器驱动电路

两组 SR 由 ISL89163 MOSFET 驱动器 U4 驱动，驱动器输入的 RCD 网络可延迟 SR 的导通时间，避免与初级侧桥接 FET 的驱动信号重叠，从而防止高幅值短路电流的产生。此外，也可选择使用 ISL89367 来驱动 SR。

电流倍增器输出

电流倍增器输出由两组 SR（(Q107...Q109) 和 (Q{111 ... Q{113}})）、电感（(L102) 和 (L103)）和输出滤波电容（(C{133 ... C{136}})）组成。该拓扑的优点是输出电流由两个电感分担，降低了传导损耗，且电源变压器的次级绕组无需中心抽头。

同步整流器原理

用 MOSFET 替代二极管作为整流器具有显著优势，如大幅降低传导损耗，且从空载到满载的占空比基本保持不变。然而，也存在一些缺点，如增加了复杂性和成本，反向恢复损耗较高，以及在并联单元时需要防止电流环流等问题。

SR 驱动时序要求

为了模拟二极管的工作，SR 必须在二极管正常导通时导通。但与二极管不同的是，SR 导通时电流可能会反向。因此，需要对 SR 的驱动信号进行延迟，以防止与初级侧桥接 FET 的驱动信号重叠，避免短路电流的产生。

SR 驱动和偏置

ISL6752/54 产生的控制信号（OUTLLN 和 OUTLRN）通过脉冲变压器 T6 传输到次级侧，用于驱动 SR。T6 不仅能耦合控制信号，还能为次级侧的驱动器提供偏置电压。通过合理设计电路，可确保 SR 在合适的时间导通和关断，同时使 RC 网络产生的延迟与 VBIAS 的绝对值无关。

电流倍增器设计考虑

电流平衡

在设计电流倍增器拓扑时，必须确保两半部分的直流电阻相等，PCB 布局应尽可能对称，电感的 DCR 应合理相等。否则，会导致两侧电流分配不均。通过对电路板进行一次修订，ISL6752/54EVAL1Z 实现了两个电感之间的电流平衡，即使在空载时电感电流也能保持相同的波形形状。

并联输出问题

当使用 SR 时，多个电源的输出并联可能会出现问题。由于 SR 中电流可以双向流动，当一个并联输出的电压较高时，可能会导致功率从次级传输到初级，损坏电源。为避免这种情况，可使用 OR 二极管（或 FET）或在 SR 中电流反向时关闭 SR（二极管仿真模式），但后者会牺牲 SR 的部分优势。

电流传感问题及解决方案

单 CT 电流传感问题

当使用单个电流传感变压器（CT）进行初级侧电流传感时，如果不考虑反向 SR 电流，可能会导致电流传感变压器电路出现意外故障。在轻载或负载突变时，可能会出现整流后的负电流，导致控制周期提前终止，甚至使电源变压器饱和，损坏功率桥。

解决方案

1. 双 CT 方案：在低侧 FET 的每个漏极上放置一个 CT，仅检测流入漏极的正电流，解决了整流负电流的问题，且有完整的半个周期来复位 CT 磁芯。
2. 单 CT 检测双漏极电流方案：使用一个 CT 检测低侧 FET 的两个漏极电流，但需要考虑 CT 磁芯复位的最小时间，可能会影响最大占空比。
3. 高侧 FET 公共漏极 CT 方案：将 CT 放置在两个高侧 FET 的公共漏极引线上，可避免栅极驱动问题，但 CT 需要设计为 400VDC 工作绝缘。

评估板设置与性能测试

设置步骤

1. 在主板左下角的 DISABLE 和 PGND - 1 接线片之间焊接一根导线，或连接一个开关。
2. 将任一子控制卡安装到主板上。
3. 连接直流负载到评估板的输出，并将负载调整到零电流。
4. 关闭两个电源，将直流偏置电源连接到 +13V 端子和 PGND。
5. 将 400V 电源连接到 +400V 和 400V RTN。
6. 打开直流偏置电源，将电流限制调整到 200mA，电压调整到 +12.6VDC。
7. 打开 400V 电源，将电流限制调整到 2.5A，电压调整到 400VDC，不超过 450VDC。
8. 打开风扇，将气流导向安装在电路板底部的散热器。
9. 使用输出功率接线片旁边的测试点，测量输出电压应为 12V ±0.5VDC。

性能测试

通过示波器观察波形，可对评估板的性能进行评估。在 ZVS 测试中，尽管在 50A 满载时未实现完全的零电压开关，但仍可恢复 98% 的开关损耗；在 50% 负载时，仍可节省 84% 的开关损耗。通过观察负载瞬变波形、输出纹波和噪声波形以及变压器初级绕组电流波形等，可全面了解评估板的性能表现。

总结

ISL6752/54EVAL1Z 评估板为电源工程师提供了一个优秀的平台，用于研究和实现同步整流器和零电压开关技术。通过采用 MOSFET 作为同步整流器，该评估板显著提高了电源效率和负载瞬态性能。同时，子卡的设计允许工程师比较逐周期峰值电流限制和平均电流限制的优缺点。在实际设计中，需要注意电流传感、PCB 布局和并联输出等问题，以确保电源系统的稳定性和可靠性。

你是否在类似的电源设计中遇到过挑战？你认为 ISL6752/54EVAL1Z 在哪些应用场景中会表现得尤为出色呢？欢迎在评论区分享你的看法和经验。