瑞萨 ISL81802 设计经验分享
瑞萨 ISL81802 介绍
瑞萨 ISL81802 是一款双通道同步降压控制器，可产生两个独立输出或一个具有两个交错相位的输出，适用于工业和通用领域的各种应用。 该控制器具有较宽的输入和输出电压范围，适用于电信、数据中心和计算应用。下图 (图1) 为 ISL81802 框图。
瑞萨 ISL81802 的基本性能参数及优势：
- 输入电压：4.5V ~ 80V
- 输出电压：0.8V ~ 60V
- 四个具有自适应穿透保护的 MOSFET 驱动器
- 输出电压恒定，输出电流反馈回路控制
- 低纹波二极管仿真突发模式操作
- 可编程软启动
- 开关频率：100kHz 至 2MHz
- 支持双路电流自动均衡
- 强制 PWM 模式
- 低关断电流：5uA
- 保护 (OVP OCP UPV OTP)
下图 (图2) 为瑞萨 ISL81802 同其他产品的性能对比：
与其他 48V 降压控制器相比，瑞萨 ISL81802 控制器有什么独特之处?
1. 它是一种非常独特的双相位/双输出 buck 控制器，支持高达 80V 输入和高达 76V 输出。它还支持恒压和恒流操作，这意味着它不仅适用于电信和计算，也适用于电池管理和大功率 LED 照明
2. 宽 Vin 量程：4.5V 至 80V
3. 宽电压范围：0.8V 至 76V
4. 具有交错输出的双相或两相 Buck 控制器
5. 集成 CC/CV 控制器+驱动
6. 支持多芯片并联和相位交错
7. 宽开关频率：100Khz 至 1MHz
8. 电流模式与二极管仿真和突发模式在轻负载或强制 PWM 模式
9. 穿保护，OCP，OVP，OTP，UVP
10. 每个输出独立的 EN 和软启动
从中可以看出，它覆盖了很宽的输入输出电压范围，可达 80V，输出可以是两独立输出也可以是两相交错单输出。控制回路可以是恒压或恒流 (两个独立的调节回路用于 CV 和 CC 用于任何输出)。多台 ISL81802 可并联多相配置，支持更高功率。频率可以低至 100kHz 以获得最高效率，或高至 1MHz 以获得最小尺寸。在轻负载时，芯片可以配置为强制 PWM、DEM 或 burst 模式。
瑞萨 ISL81802 参数及引脚设计分析
BUCK 模式下开关管的工作状态
如下图 (图3) 所示，在 Q1 开时 Q2 关，Q2 开时 Q1关。Q3 常关 Q4 常开。PWM 占空比可＝ 输出 / 输入。
EN/UVLO 引脚作用
EN/UVLO 电压小于 0.9V LDO 及 VOUT disable
EN/UVLO 电压大于 1.3V VDD VCC enable
EN/UVLO 电压大于 1.8V 软启动 SS enable
PLL_COMP 引脚作用
需要一个 RPLL、CPLL1 和 CPLL2 的外部补偿网络连接到 PLL_COMP 引脚，确保锁相环稳定运行。瑞萨推荐 RPLL 选择 2.7kΩ，CPLL1 选择 10nF 和 820pF 的 CPLL2。采用推荐的补偿网络保证了锁相环在全时钟下的稳定性。频率范围 100kHz ~ 600kHz。
EXTBIAS 引脚作用
- 由 VOUT 及 VIN 供给，内置切换开关。供电 VCC，VDD 8V
- 注意最大值范围，否者需要外部电源供电
- 尽量降低电压值可工作效率及散热问题
- 最小有效值＞7.3V
图6 EXTBIAS 引脚作用
电压环的计算
两个电流环的计算
Rs_out 建议 1-5mΩ 之间，有助于提高效率。
降压电路的基本⼯作原理 — CCM 与 DCM
- 降压电路工作在重载情况下，电源处于 PWM 工作模式来获得最佳性能，根据电感是否连续可以分为连续传导模式 CCM 和非连续传导模式 DCM。
- 负载变小时，输出电流平移往下。当负载电流下降到一定程度后，电感电流断续。
轻载高效模式 — DE 模式
设置 DE 模式时，LG1 驱动的降压同步 FET 和 UG2 驱动的 boost 同步 FET 都在运行的模式。电感电流不允许根据零点交叉反转 (断续运行)。
轻载高效模式 — Burst 模式
当负载电流进一步小，小于 VIMONOUTBSTEN 设置的电平典型的 0.85V 时在 IMON_OUT 引脚上，部件进入 Burst 模式。
怎样选择轻载模式与 PWM 模式？
- LG1/PWM_MODE pin
- RLG1xIMODELG1 ＜ 0.3V PWM mode
- RLG1xIMODELG1＞ 0.34V DE mode
其中 (IMODELG1 = 10uA typical)
怎样选择 CC 模式与 CV 模式？
- 负载电流决定了输出电流
- 在输出电流上升阶段至 CC 模式限流点之前一直处于 CV 模式工作
- 当电流输出上升到最大横流点后，电压会一直掉直至 0.1V 进入 CC 模式
怎样选择 CC 模式与 hicup 模式？
- LG2/OC_MODE pin
- RLG2xIMODELG2 ＜ 0.3V CC mode
- RLG2xIMODELG2 ＞ 0.3V hicup mode
其中 (IMODELG2 = 10uA typical)
如果需要对硬件的横流点进行改变需要怎样做？
- 通过连接 IMON_OUT 引脚上的 RIM_OUT 电阻，将反馈电流环 ICS 电流信号通过运放在电阻上转换为电压信号。直至到达 1.2V 会进行限流。
- 所以通过在 IMON_OUT 引脚注入 PWM 信号，在 RC 上降低输出电流值，提前进入 CC 模式。
降压电路的相关问题：峰值过流保护
第一级脉冲逐脉冲峰值电流限制，电流由并联电阻 RS_IN 和运放 A1 感知，Q1 在 Buck 模式下关闭。
第二级为了避免在峰值电流模式操作的任何错误跳闸，第一电平脉冲逐脉冲限流电路不能将 PWM 占空比进一步降低到最小时。转换器通过关闭所有四个开关 50ms。
BOOT PIN 工作原理
- BOOT 引脚的引导电容到 PHASE 节点为高侧 MOSFET 驱动器提供电源。
- 在启动时，低侧 MOSFET 首先打开，并迫使相位接地充电 BOOT 电容器到 8V。
- 低侧 MOSFET 关闭后，高侧 MOSFET 被打开，关闭 BOOT 和 UGATE 之间的内部开关。
开关频率的选择
- 增加开关频率可以使降低输出电感和电容大小，可以降低整个电源的体积，同时降低电感和电容的成本。增加开关频率会降低电源效率，辐射能量会加大增加温升。
- 增加开关频率可以降低波纹大小，降低开关频率会加大纹波幅。
- 由 RT 引脚外部电阻到地阻值决定，当 RT/SYNC 引脚连接到外部时钟时，ISL81802 就会同步到外部时钟频率。
波形分析及优化改进
现象 1：电感前端的 phase 波形，有脉冲尖峰震荡比较大。
结果：在 BOOT 和 phase 间加 RC 吸收电路，调整电阻在 3.3 欧至 10 欧。
现象 2：8V VIN 芯片带载瞬间出现尖峰电流，芯片出现关闭无输出。
原因：这是输出电流在开机瞬间因负载容性值较大会吸收能量有个 20A 10ns 瞬间尖峰电流出现，导致 VIN 跌至工作电压 4.5V 以下再回弹芯片瞬间出现关闭。
结果：
- 输出端外接一个限流开关如 SGM2512，消除压制尖峰增加输入稳定性；
- 使用大容量的稳压电源测试动态效果好，及增加 VIN 电压值。
现象 3：负载测试，在 2A 输出动态测试中，输出电压不稳定。
原因：动态效果差，环路不稳定出现波动异常。
结果：调整环路参数主要是 COM，可使用环路分析仪加以辅助发现穿越频率太高需要优化。
综上，在进行 Layout 设计时，需要注意以下几点：
1. 将输入陶瓷电容尽可能靠近 IC VIN 引脚和 PGND 引脚。保持电源回路 (输入陶瓷电容器，IC VIN 和 PGND 引脚) 尽可能小，以减少相位电压环诱导的痕迹寄生在导通，以及更好的电磁干扰性能。
2. 将 0.1uF 陶瓷电容放置尽可能靠近 VIN 和 PGND 引脚的 IC 上。如果使用铝电解电容器，放置它尽可能接近 IC VIN 引脚。
3. 保持相节点铜面积小，以减少寄生电容，但大到足以处理负载电流。
4. 电源地应接在模拟地层。
5. 反馈电阻靠近 FB 和 GND 引脚，远离相节点。
6. Buck 上管低频打嗝没法一直维持能量，refresh 波形，正常的电流采样、UG1 和 phase1 差分走线。
7. 电流采样环 CS 差分总线。
8. Phase 与 UG 差分走线。
9. 上下管驱动线不能走一起，开关时大电流过会串扰担心直通。MOS Qg 值不能太大影响开关损耗 1500pf 左右可以。
10. 输入的钽电容一定要靠近输入 mos 减小环路干扰减小尖峰应力，比输出电容更重要。
总结
本文主要介绍了瑞萨 ISL81802 控制器，并分享相关调试、设计经验。欲了解更多瑞萨相关方案或技术信息，可点击下方「联系我们」，提交您的需求，澳门人巴黎人1797公司愿意为您提供更详细的技术解答。