探索ISL8225MEVAL2Z评估板：高效电源解决方案

在电子设计领域，一款性能卓越的电源模块对于各类应用的稳定运行至关重要。今天，我们将深入探讨瑞萨（Renesas）的ISL8225MEVAL2Z评估板，它为我们提供了一个可靠且高效的电源解决方案。

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一、ISL8225M模块概述

ISL8225M是一款完整的双降压开关模式DC/DC模块。它的双输出可轻松并联，用于单输出、大电流应用。这种高功率、均流的DC/DC电源模块非常适合为数据通信、电信和FPGA等对电源需求较高的应用供电。只需ISL8225M、几个无源元件和(V_{OUT})设置电阻，就能实现一个完整的双15A设计。其使用的便利性几乎消除了设计和制造风险，同时显著缩短了产品上市时间。如果需要更大的输出电流，最多可并联六个ISL8225M模块，实现高达180A的解决方案。此外，ISL8225M采用热增强型紧凑型QFN封装，在满载和高温条件下运行时无需强制风冷。所有引脚易于访问，外部元件较少，将PCB设计简化为一个元件层和一个简单的接地层。

二、评估板关键特性

2.1 高功率输出能力

ISL8225MEVAL2Z评估板允许实现单6相并联输出，可提供高达90A的大电流。在并行操作中，三个模块可实现高达300W的输出功率和90A的负载能力。

2.2 宽输入输出范围

输入电压范围为4.5V至20V，输出电压范围为0.6V至5.5V，能够满足多种不同应用的电源需求。

2.3 高精度与高效率

输出电压精度可达1.5%，转换效率最高可达95%，有效降低了能量损耗。

2.4 低纹波特性

由于采用多相交错技术，降低了输出纹波和输入纹波，提高了电源的稳定性。

三、功能描述

3.1 推荐设备

为了对评估板进行测试和使用，需要准备以下设备：

• 0V至20V电源，至少具备10A的源电流能力。
• 能够吸收高达90A电流的电子负载（可并联多个电子负载以吸收更大电流）。
• 数字万用表（DMMs）。
• 100MHz四通道示波器。

3.2 快速启动

评估板的输入为J3（VIN）和J4（GND），输出为J1和J5（VOUT）、J2和J6（GND）以及J6（VOUT2）。该90A评估板可轻松修改为30A（一个模块）或60A（两个模块）操作。具体启动步骤如下：

1. 将能够提供至少10A电流的电源连接到ISL8225MEVAL2Z的输入（VIN J3和GND J4），电压设置在4.5V至20V之间。将电子负载或待供电设备连接到评估板的输出（VOUT (J1, J5)和GND (J2, J6)）。所有连接，特别是低电压、大电流的VOUT线路，应能够承载所需的负载电流，并尽量缩短连接长度。在VOUT (J1, J5)和GND (J2, J6)上使用重复的接线片连接以承载大电流。
2. 确保EN2和EN3的跳线处于“ON”位置，EN处于开路状态。打开电源。如果评估板正常工作，绿色LED亮起；否则，红色LED亮起（此时需重新检查电线/跳线连接）。测量输出电压VOUT，应为1.2V。
3. ISL8225MEVAL2Z的默认输出电压为1.2V。如果需要不同的输出电压，可以更换板上的电阻来实现。不同输出电压对应的R2/R64电阻值可参考文档中的表1。对于12V VIN且VOUT大于1.5V的情况，需要调整开关频率，可通过调整电阻RFSET来实现。对于VOUT低于1.5V的情况，无需进行频率调整。对于5V VIN，任何允许的VOUT都可使用模块的默认频率。如果输出电压设置为大于1.8V，需要对输出电流进行降额以确保安全运行，具体降额曲线可参考ISL8225M数据手册。

3.3 板级设置

该评估板可根据不同的电流需求进行灵活设置：

• 30A应用（1模块）：EN开路，EN2关闭，EN3关闭。在此模式下，只有模块1运行，模块2和3禁用。
• 60A应用（2模块）：有两种设置方式，一种是EN开路，EN2开启，EN3关闭；另一种是EN开路，EN2关闭，EN3开启。在此模式下，只有模块1和2（或3）运行，模块3（或2）禁用。
• 90A应用（3模块）：EN开路，EN2开启，EN3开启。在此模式下，所有模块都运行。
• 禁用所有模块并使用EN引脚启动模块：EN连接。在此模式下，所有模块禁用，可使用EN控制所有模块启动。

3.4 评估板信息

评估板尺寸为150mm x 130mm，是一个6层板，顶层和底层采用2 oz.铜，所有内层采用1 oz.铜。该板可作为90A参考设计。板采用FR4材料，所有组件（包括焊接附件）均为无铅产品。

3.4.1 均流检查

评估板允许测量均流精度。在每个输出上串联四个0Ω电阻（如M1通道2的R59~R62），评估板两侧各有两个。要测量每个相的输出电流，需移除所有四个电阻，并在正确位置放置环形导线或传感电阻。虽然组装的电阻阻值为零，但每个电阻仍有小电阻（< 50mΩ）。在大输出电流下，由于这些0Ω电阻的功率损耗，效率可能会降低1~3%。文档中给出了带有0Ω电阻的效率曲线（图16和17），以及用短铜带替换这些电阻后的效率曲线（图18和19）。

3.4.2 热考虑和电流降额

对于大电流应用，电路板布局对于模块的安全运行和最大允许功率输出至关重要。为了承载大电流，需要精心设计电路板布局以最大化热性能。这包括选择足够的走线宽度、铜重量和合适的连接器。该评估板设计为在室温下无需额外冷却系统即可在1.2V下运行90A。然而，如果输出电压升高或电路板在高温下运行，可用电流会降额。可参考ISL8225M数据手册中的降额电流曲线来确定可用的输出电流。在使用ISL8225M进行设计时，可通过以下设计技巧提高热性能：

• 使用顶层和底层承载大电流。VOUT1、VOUT2、Phase 1、Phase 2、PGND、VIN1和VIN2应具有大而坚实的平面。在模块下方和周围放置足够的热过孔以连接不同层的电源平面。
• Phase 1和Phase 2焊盘是产生开关噪声的开关节点。将这些焊盘保持在模块下方。对于对噪声敏感的应用，瑞萨建议将相焊盘仅放置在PCB的顶层和内层；不要将相焊盘暴露在PCB的底层。为了提高热性能，相焊盘可在内层扩展，如该90A评估板的第3层上的Phase 1和2焊盘所示。确保第2层和第4层有GND层覆盖第3层相焊盘的扩展区域，以避免噪声耦合。
• 为了避免噪声耦合，瑞萨建议在多模块操作时，在每个模块的所有COMP和ISHARE引脚上添加1nF电容器。
• 将模块均匀放置在电路板上，并在模块之间留出足够的空间。如果电路板空间有限，尝试将功率损耗低的模块（如低(Vout)或(IOUT)）紧密放置在一起，同时仍将功率损耗高的模块分开。
• 如果环境温度高或电路板空间有限，需要气流来消散模块产生的更多热量。也可在模块顶部应用散热片以进一步提高热性能（散热片推荐：Aavid Thermalloy，部件号375424B00034G，www.aavid.com）。

  3.4.3 远程传感

  ISL8225MEVAL2Z板允许对负载应用远程传感功能，以实现良好的输出调节精度。要使用此功能，需移除电阻R7和R8，并通过跳线JP4（RS）将开尔文传感线连接到负载点。

  3.4.4 相移编程

  在均流模式下，需要相移来交错不同的相，以降低输入和输出纹波。文档中给出了不同的均流模式，从2相（180°相移）、4相（90°相移）到6相（60°相移）。主模块将CLKOUT信号发送到第二个模块的SYNC引脚，并与其自身的时钟信号产生相移。然后第二个模块与主模块的CLKOUT信号同步，并将其CLKOUT信号发送到第三个模块的SYNC引脚。每个模块的两个相默认设置为180°相移。该评估板设置为模式5B，相之间的相移为60°。如果MODE引脚未连接到VCC（5A或5B），除主相的VMON引脚外，不同模块的所有VMON引脚可以连接在一起。如果需要模式7A以实现90°相移，MODE引脚必须连接到VCC。在这种情况下，相关模块的VMON引脚需要通过连接一个953Ω电阻和一个22nF电容器到SGND来分离，具体可参考ISL8225M数据手册。

四、PCB布局指南

4.1 电路板原理图

文档中给出了ISL8225MEVAL2Z板的详细原理图，展示了各个元件的连接和布局。这些原理图是设计和调试的重要参考。

4.2 电路板布局

评估板的布局包括顶层组件侧、底层焊接侧等多个层面的视图。合理的布局有助于提高电路板的性能和可靠性。同时，文档还提供了电路板的丝印图，方便元件的安装和识别。

4.3 物料清单

文档列出了评估板的详细物料清单，包括每个元件的型号、参考编号、数量、值、公差、电压、功率、封装类型、JEDEC类型、制造商和描述等信息。这对于采购和组装电路板非常有帮助。需要注意的是，反馈电阻分压器R1/R2的电阻精度会影响输出电压精度，建议使用高精度电阻（0.5%或0.1%）以满足输出精度要求。

五、效率曲线

文档给出了ISL8225MEVAL2Z在不同输入电压和输出电压下的效率曲线。测试条件为+25°C且无气流。分别展示了输出带有0Ω电阻时的效率曲线（图16和17），以及用厚铜带替换0Ω电阻后的效率曲线（图18和19）。通过这些曲线，我们可以直观地了解评估板在不同负载电流下的效率表现，为实际应用提供参考。

六、修订历史

文档记录了评估板的修订历史，包括版本号、日期和描述。最新版本（Rev.2.00）于2019年6月25日发布，进行了新的格式应用、替换二维码为视频链接、更新原理图以及添加修订历史部分等操作。

ISL8225MEVAL2Z评估板为电子工程师提供了一个强大而灵活的电源解决方案。通过深入了解其特性、功能和布局等方面的信息，我们可以更好地利用该评估板进行电源设计，满足不同应用的需求。你在使用类似评估板的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。