ISL95870/ISL95870A/ISL95870B：高性能PWM DC/DC控制器的技术解析

在便携式GPU核心电压调节器的设计领域，RENESAS的ISL95870、ISL95870A和ISL95870B这三款IC凭借其独特的技术和出色的性能，成为了众多工程师的理想选择。今天，我们就来深入探讨一下这三款芯片的特点、工作原理以及应用设计要点。

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芯片概述

ISL95870、ISL95870A和ISL95870B是单相同步降压PWM调节器，采用了Intersil专有的(R^{4}) Technology™。其输入电压范围为3.3V至25V，非常适合使用电池或交流适配器电源的系统。ISL95870A和ISL95870B是需要动态选择压摆率控制输出电压应用的低成本解决方案。

特点亮点

1. 宽输入输出电压范围：输入电压范围为3.3V至25V，输出电压范围为0.5V至5V，能满足多种不同的应用需求。
2. 高精度调节：拥有专有的(R^{4_{TM}})频率控制环路，在 -10°C至 +100°C的温度范围内，系统精度可达±0.5%。
3. 出色的瞬态响应：采用Intersil的(R^{4_{TM}})调制器技术，能快速响应负载变化，保证输出电压的稳定。
4. 灵活的输出电压可编程性：通过2位VID选择，ISL95870B可选择四个独立的设定点电压，ISL95870A可选择四个相关或三个独立的设定点电压，且设定点电压可通过简单的电阻编程实现。
5. 可选的PWM频率：在连续导通模式下，可选择300kHz、500kHz、600kHz或1MHz的PWM频率。
6. 自动二极管仿真模式：在轻载条件下，如系统待机时，转换器会自动进入二极管仿真模式（DEM），以实现最高效率。
7. 电源良好监控：具备电源良好监控功能，可用于软启动和故障检测。

工作原理

上电复位

芯片在VCC引脚电压上升到上电复位（POR）阈值电压(VCC_THR)以上时才会启用，当VCC引脚电压下降到下降POR阈值电压(VVCC_THF)以下时，控制器将被禁用。POR检测器具有约1µs的噪声滤波器。

启动时序

当VCC电压上升到(VVCCTHR)以上后，通过将EN引脚电压拉高到输入高阈值(V{ENTHR})，约20µs后，SREF引脚电压开始向指定的VID设定点上升，转换器输出电压在FB反馈引脚处跟随SREF引脚电压。在软启动期间，调节器始终工作在CCM模式，直到软启动序列完成。

输出电压编程

• ISL95870：具有固定的0.5V参考电压（VSREF），通过由(R{FB})和(R{OFS})组成的电阻分压器，可将输出电压在0.5V至5V之间进行缩放。
• ISL95870A：允许用户通过电压识别引脚VID1和VID0选择四个不同的参考电压，从而得到四个不同的输出电压。最大参考电压不能设计高于1.5V。
• ISL95870B：同样可通过VID1和VID0选择四个不同的参考电压和输出电压，最大参考电压也不能高于1.5V。

(R^{4})调制器

(R^{4})调制器是(R^{3})技术的进化版本。与(R^{3})相比，它在轻载效率相当的情况下，具有更快的瞬态性能、精确的频率控制和全内部补偿。它降低了调节器的输出阻抗，消除了补偿环路中对高增益电压放大器的需求，大大简化了调节器的设计，降低了外部组件成本。

保护机制

过流保护（OCP）

过流保护设定点通过连接在OCSET和PHASE引脚之间的电阻(R_{OCSET})进行编程。当OCSET引脚电压高于VO引脚电压超过10µs时，OCP故障将锁定转换器，使其关闭。

过压保护（OVP）

当FB引脚电压高于上升过压阈值(V_{OVRTH})超过2µs时，OVP故障检测电路将触发，锁定转换器并使PGOOD引脚置低。

欠压保护（UVP）

当FB引脚电压低于欠压阈值(V_{UVTH})超过2µs时，UVP故障检测电路将触发，锁定转换器并使PGOOD引脚置低。

过温保护（OTP）

当芯片温度上升到上升阈值温度(T{OTRTH})以上时，芯片将进入OTP状态，暂停PWM，使LGATE和UGATE栅极驱动器输出置低。当芯片温度下降到滞后温度(T{OTHYS})以下时，PWM恢复正常工作。

应用设计要点

选择LC输出滤波器

理想降压转换器的占空比是输入和输出电压的函数，输出电感的峰 - 峰纹波电流与占空比、开关频率和电感值有关。在选择电感时，要考虑MOSFET开关损耗、电感铁芯损耗和电感绕组的电阻损耗，同时要注意电感在高温下的饱和特性。输出电容的选择要考虑纹波电流和纹波电压，对于需要支持高脉动电流负载的情况，可能需要并联多个电容以降低总ESR。

选择输入电容

输入电容的重要参数是电压额定值和RMS电流额定值。为了可靠运行，应选择电压和电流额定值高于最大输入电压且能提供开关电路所需RMS电流的电容。除了大容量电容外，还建议使用一些低ESL陶瓷电容进行去耦。

选择自举电容

集成驱动器具有内部自举肖特基二极管，只需在BOOT和PHASE引脚之间添加一个外部电容即可完成自举电路。自举电容的电压额定值应至少为10V，其电容值可根据公式(C{BOOT } geq frac{Q{GATE }}{Delta V_{BOOT }})计算。

驱动器功耗计算

驱动器的开关功耗主要取决于开关频率和所选MOSFET的总栅极电荷。在设计应用时，需要进行功耗计算，以确保在所需频率下安全运行。

MOSFET选择

MOSFET的选择取决于每个MOSFET需要传导的电流、开关频率、散热能力以及散热和气流的可用性。通常，功率级中使用的MOSFET的最大(V_{DS})额定值应超过输入电源的上电压容差和MOSFET开关时出现的电压尖峰之和。

布局考虑

在布局设计中，功率层应靠近放置，弱模拟或逻辑信号层应位于电路板的另一侧。接地平面层应与信号层相邻以提供屏蔽。功率组件应首先放置，包括MOSFET、输入和输出电容以及电感。要保持功率链与控制IC之间的距离短，以缩短栅极驱动走线。同时，要注意不同引脚的布局要求，如VCC和PVCC引脚的去耦电容应靠近IC放置，OCSET和VO引脚的电流传感网络应连接到电感焊盘并进行屏蔽等。

总结

ISL95870、ISL95870A和ISL95870B这三款芯片以其先进的技术和丰富的功能，为便携式GPU核心电压调节器的设计提供了优秀的解决方案。在实际应用中，工程师们需要根据具体需求，合理选择芯片型号，并遵循正确的设计方法和布局原则，以充分发挥芯片的性能优势。大家在使用这些芯片的过程中，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。