瑞萨ISL62391/ISL62392系列电源控制器：笔记本电脑电源设计的理想之选

引言

在笔记本电脑等电池供电系统的设计中，高效稳定的电源供应是至关重要的。瑞萨的ISL62391、ISL62392、ISL62391C和ISL62392C控制器，为这类系统提供了出色的电源解决方案。本文将深入探讨这些控制器的特点、工作原理以及应用设计要点，希望能为电子工程师们在电源设计方面提供有价值的参考。

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产品概述

功能特性

ISL62391、ISL62392、ISL62391C和ISL62392C控制器专为电池供电系统设计，能够生成稳定的电源电压。它包含两个可调节范围为0.6V至5.5V的脉冲宽度调制（PWM）控制器，以及一个固定输出3.3V、最大可提供100mA电流的线性稳压器（LDO3）。此外，该控制器还具备板载上电排序、电源良好（PGOOD）输出、数字软启动和内部软停止输出放电等功能，可有效防止关机时出现负电压。

控制方案

采用专利的 (R^{3}) PWM控制方案，提供低抖动系统，对负载瞬变具有快速响应能力。通过周期拉伸不连续传导模式（DCM）操作，提高了轻载效率。为消除音频频率应用中的噪声，还加入了超声波DCM模式，将最小开关频率限制在28kHz。

过压保护差异

ISL62391和ISL62391C采用三态过压方案，而ISL62392和ISL62392C则采用软撬棒方法，这是它们之间的主要区别。

封装与工作温度范围

该系列产品采用28引脚4x4 TQFN封装，可在 -40°C至 +100°C的扩展温度范围内工作。

技术参数

绝对最大额定值

• VCC、PGOOD、PVCC至GND： -0.3V至 +7.0V
• VOUT1,2、FB1,2、FSET1,2： -0.3V至GND，VCC +0.3V
• BOOT1,2至PHASE1,2： -0.3V至 +7V
• UGATE1,2（DC）： -0.3V至PHASE1,2，BOOT1,2 +0.3V

推荐工作条件

输入电压范围为5.5V至25V，在不同的使能条件下，有相应的待机电流和阈值要求。例如，当EN1 = EN2 = LDO3EN = 0时，待机电流典型值为6μA；PVCC POR阈值上升沿典型值为4.50V。

电气规格

在 (VIN = 12V)、(EN = VCC)、(T_{A} = -40^{circ}C) 至 +100°C的条件下，具有一系列电气参数。如参考电压为0.6V，调节精度为±1%，频率范围为200kHz至600kHz等。

引脚功能描述

该系列产品共有28个引脚，每个引脚都有特定的功能。例如：

• PGOOD：开漏电源良好状态输出，通过100k电阻连接到VCC，当所有输出在规定范围内且无故障时输出高电平。
• FSET1/2：用于设置开关电源（SMPS）的开关频率，通过连接电阻到地进行编程。
• FCCM：逻辑输入，用于控制效率模式，高电平强制连续传导模式（CCM），低电平允许全不连续传导模式（DCM），浮空时为超声波DCM操作。

工作原理

三输出控制器

该系列产品可生成三个稳压输出电压，其中两个由开关电源（SMPS）产生，另一个由低压差线性稳压器（LDO）产生。额外的5V LDO（PVCC）用于在操作期间为芯片供电，使得控制器能够从单个电源（VIN）调节所有输出，无需单独的静态电源。

调制器和开关频率

采用瑞萨的 (R^{3}) 技术，结合了固定频率PWM和可变频率滞回控制。该技术可根据输入电压和输出负载瞬变同时影响PWM开关频率和PWM占空比。调制器合成一个交流信号 (V{R})，其占空比由通过纹波电容 (C{R}) 的充放电电流决定。开关频率与 (V{R}) 的正负斜率的压摆率成正比，与 (V{W}) 和 (V_{COMP}) 之间的电压成反比。

上电复位

在VIN引脚电压上升到上电复位（POR）阈值以上之前，控制器处于禁用状态；当VIN引脚电压下降到POR阈值以下时，控制器也会被禁用。此外，还会监测PVCC引脚电压，如果其电压低于4.2V，SMPS输出将被关闭。

EN、软启动和PGOOD

使用数字软启动电路，以可预测的压摆率将每个SMPS的输出电压斜坡上升到编程的调节设定点。当EN引脚电压高于其上升阈值时，PGOOD软启动延迟开始，输出电压开始上升。PGOOD引脚用于指示转换器是否能够提供稳压电压，当检测到故障时，会拉低PGOOD引脚，向系统发出输出电压超出调节范围的信号。

MOSFET栅极驱动输出

具有内部栅极驱动器，用于驱动高端和低端N沟道MOSFET。低端栅极驱动器针对低占空比应用进行了优化，自适应直通保护可防止栅极驱动器输出在相反的栅极驱动器输出降至约1V以下之前开启，典型死区时间为21ns。

二极管仿真

FCCM引脚可控制控制器的电源状态。当FCCM为高电平时，控制器在整个负载范围内以强制连续传导模式（CCM）运行，可提供最佳的瞬态响应，但轻载功率损耗会增加；当FCCM为低电平时，控制器在轻载时自动进入二极管仿真模式（DEM），以优化整个负载范围内的效率。

过流保护

过流保护（OCP）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OCSET1引脚电压高于ISEN1引脚电压超过10µs时，控制器将宣布OCP故障。

过压保护

当FB引脚电压高于过压阈值超过2µs时，过压保护（OVP）故障检测电路触发。ISL62391和ISL62391C在OVP故障时将PHASE节点三态化；ISL62392和ISL62392C则通过LGATE栅极驱动器输出对输出电压进行软撬棒保护。

欠压保护

当FB引脚电压低于欠压阈值超过2µs时，欠压保护（UVP）故障检测电路触发，PGOOD引脚拉低，锁定转换器。

输出电压编程

通过连接在OUT和GND引脚之间的两个电阻分压器，可将输出电压编程为0.6V至5.5V。

补偿设计

推荐使用Type-II补偿电路，通过FB引脚作为误差放大器的反相输入，COMP信号为误差放大器的输出。Intersil提供基于PC的工具，可用于计算补偿网络组件值并模拟环路频率响应。

3.3V线性稳压器

除了两个SMPS输出外，还提供一个固定3.3V的LDO输出（LDO3），最大可提供100mA连续电流，具有180mA的电流限制功能。

热监测和保护

持续监测芯片温度，当温度超过 +150°C时，所有输出将关闭，直到结温降至 +135°C以下。

应用设计指南

选择LC输出滤波器

理想降压转换器的占空比与输入和输出电压有关。输出电感的峰峰值纹波电流可根据公式计算，通常选择峰峰值纹波电流为最大直流输出负载电流的20%至40%。同时，需要考虑电感的直流铜损和饱和特性，以及输出电容的ESR和纹波电压。

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，应选择电压和电流额定值高于最大输入电压且能够提供开关电路所需RMS电流的电容。

MOSFET选择和考虑因素

MOSFET的最大VDS额定值应超过输入电源的上电压容差和MOSFET关断时的电压尖峰之和。高端MOSFET应强调低栅极电荷，低端MOSFET应强调低 (r_{DS(ON)})。

选择自举电容

自举电容的选择可根据公式计算，通常选择计算值两倍的电容，建议使用X7R或X5R陶瓷电容。

布局考虑

功率应位于PCB的底层，弱模拟或逻辑信号位于顶层，接地平面层应与顶层相邻以提供屏蔽。两个SMPS输出的功率电路应对称布局，确保控制器在关键开关决策时不会偏向某一通道。

总结

瑞萨的ISL62391、ISL62392、ISL62391C和ISL62392C控制器为笔记本电脑等电池供电系统提供了高效、稳定的电源解决方案。其丰富的功能特性、先进的控制方案以及完善的保护机制，使得它在电源设计中具有很大的优势。电子工程师们在设计过程中，可根据具体需求，结合上述的应用设计指南，充分发挥该系列控制器的性能，实现优质的电源设计。

你在实际设计中是否遇到过类似电源控制器的应用难题呢？欢迎在评论区分享你的经验和问题。