使用 ISL6160 和 HIP6006 ICs 设计 InfiniBand Class I 电源

在高性能、交换式互连系统不断发展的今天，InfiniBand 架构应运而生，它为连接高端服务器、I/O 子系统、路由器和交换机提供了高性能、可靠且可扩展的解决方案。本文将详细介绍如何使用 Intersil 的 ISL6160 和 HIP6006 ICs 设计 InfiniBand Class I 电源。

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核心组件概述

ISL6160

ISL6160 是一款专为 InfiniBand I/O 模块（IM）的电源排序、控制和保护而设计的芯片。它能够独立控制单个端口的 VB（+12V）和 VA（+5V）电源轨，适用于 IB Class I（非隔离）和 Class II（隔离）电源拓扑应用。

ISL6160EVAL2 评估平台

Intersil 提供的 ISL6160EVAL2 是一个完整的 InfiniBand Class I 电源拓扑评估平台，展示了 ISL6160 和 HIP6006 单输出 PWM 控制器的工作原理。该平台输出为 5V，最大输出电流为 3.5A，效率可达 85%，面积仅 1.6 平方英寸。

评估板使用方法

硬件连接

ISL6160EVAL2 由总线板和负载板组成，分别代表 IB 机箱和 IM。负载板通过交错长度的连接器引脚热插入总线板的插座，先连接 VX_RET，再连接 VX，最后最短的引脚模拟 VBx_En_L 线连接。

VB 电源控制

当 VB_In 连接后，电路的 VB 控制部分被偏置，但 VB 次级轨（TP1）直到 ISL6160 的 VB_ON 引脚被置高才会开启。本地电源使能信号可以通过 LCL_PWR_EN 跳线设置为硬连接高电平，或者移除跳线通过外部输入信号（TP6）提供。当 VB_ON 被置高时，ISL6160 以软启动模式开启 VB 次级轨，保护主电源轨免受突然的浪涌电流影响。

VA 电源控制

ISL6160 的 VA 欠压锁定功能可防止 VA 在 (VA_In >2.5 ~V) 之前开启，然后启用 VA 软启动和上电。VA 输出电压以电流限制的斜坡上升，限制了浪涌电流和电压斜率，减少了电源下垂，无需额外的外部 EMI 滤波器。在运行过程中，一旦检测到 VA 过流（OC）情况，输出电流将被限制为 1A，持续 12ms，以允许瞬态条件过去。如果过流情况仍然存在，输出将被锁存关闭，直到 IM 从机箱背板断开并重新连接。

DC - DC 转换器控制

当 VB_ON（TP7）被置高，DC - DC En 引脚（TP2）被拉高到 VB，通过 R4、R15 和 C14 的 RC 网络可以设置 DC - DC 转换器的使能信号电平和平滑度，从而定制 DC - DC 启用的时间。一旦 DC - DC 启用，输出（TP3）将上升到 5V。

评估板性能表现

效率

从图 6 可以看出，ISL6160EVAL2 的效率与负载电流有关。在较高负载电流下，开关调节器显示出明显的效率优势。该评估板的设计电流限制约为 3.5A，曲线表明在输出电流约为 4.5A 和输入功率约为 25W 时，效率达到最大值。要提高 ISL6160 相关的效率，可以降低 VB FET（Q3）开关的 RDSon 和感测电阻上的阈值电压。

瞬态响应

图 7 显示了 ISL6160EVAL2 在 0 - 3.5A、250A/ms 负载瞬变下的实验室示波器波形。输出电压响应迅速，在不到 150μs 内恢复到标称值的 2% 以内。

输出电流和电压纹波

图 8 展示了 HIP6160EVAL2 在负载电流为 3.5A 时的输出电流和电压纹波情况，此时峰 - 峰电压纹波约为 60mV。

OC 保护

ISL6160 OC 保护

ISL6160EVAL2 设计为将输入电流限制在 2.8A，以满足 25W 端口的最大指定峰值电流要求。当输出电流超过 3.5A 时，输入电流纹波峰值增加并被限制在 2.8A，此时 ISL6160 会降低 Q3 栅极驱动以进行电流调节，保护 VB 主电源轨。

HIP6006 OC 保护

HIP6006 具有无损过流保护功能，通过监测上 MOSFET（图 11 原理图中的 Q2a）两端的压降来感测转换器负载电流，无需电流感测电阻，提高了转换器效率并降低了成本。过流功能以打嗝模式循环软启动功能，提供故障保护。通过电阻（ROCSET，R6）可以编程过流跳闸电平。当检测到过流时，软启动功能会放电 (C{SS}) 并抑制 PWM 操作，然后重新充电 (C{SS}) 并恢复 PWM 操作。

电源设计考虑因素

输入电容选择

使用 HIP6006 输入（VB 次级轨）旁路电容的组合来控制 MOSFET 两端的电压过冲。小陶瓷电容用于高频去耦，大容量电容在 Q1 每次导通时提供所需电流。输入电容的数量和电容值通常由其最大 RMS 电流额定值决定。

MOSFET 选择对效率的影响

图 10 显示，较小的 RFP25N05 MOSFET 在大多数线路和负载范围内比更大的 RFP45N06 MOSFET 更高效。这表明在选择 MOSFET 时，需要同时考虑开关损耗和传导损耗。

输出电压设置

通过简单改变电阻值，可以实现低至 1.3V 或高达 12V 输入电压的输出。稳态直流输出电压可以使用公式 (V{OUT }=V{REF } cdotleft(1+frac{R 8}{R 5}right)) 设置，其中 (V_{REF}) 通常为 1.27V。

输出电容选择

输出电容需要满足滤波和提供负载瞬态电流的要求。滤波要求与开关频率和纹波电流有关，负载瞬态要求与电流变化率（di/dt）和瞬态负载电流大小有关。通常需要使用多种电容并进行合理布局来满足这些要求。

输出电感选择

输出电感的选择要满足输出电压纹波要求，并最小化转换器对负载瞬变的响应时间。增加电感值可以降低纹波电流和电压，但会减慢转换器对负载瞬变的响应速度。

总结

ISL6160EVAL2 评估板非常适合评估完整的单固定电压 IB Class I 电源，并为特定的 IM 电源控制和供应需求提供概念性平台。此外，Intersil 还提供了如 IPM6220A 等多输出电压转换器，与 ISL6160 配合使用，几乎可以满足所有 InfiniBand I/O 模块的应用需求。各位工程师在实际设计中，是否也遇到过类似的电源设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。