ISL81805：高性能80V双同步升压控制器的深度解析

引言

在电子工程师的日常工作中，电源管理芯片是设计中不可或缺的一部分。一款性能优异的升压控制器能够为各种应用提供稳定、高效的电源解决方案。今天，我们就来深入探讨一下瑞萨（Renesas）的ISL81805，这是一款80V双同步升压控制器，适用于工业和通用领域的多种应用。

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一、产品概述

ISL81805是一款双同步升压控制器，它可以生成两个独立的输出，或通过两个交错相位生成一个输出，具有广泛的输入和输出电压范围，非常适合电信、数据中心和计算等应用。

1.1 工作模式与特性控制

它采用峰值电流模式控制，结合相位交错技术，为两个输出提供了精确的控制。每个输出都配备了电压调节器、电流监测器和平均电流调节器，能够实现独立的平均电压和电流控制。内部的锁相环（PLL）振荡器确保了从100kHz到1MHz的精确频率设置，并且可以与外部时钟信号同步，适用于频率同步和相位交错并联应用。此外，PLL电路还可以输出可编程的相移时钟信号，扩展到三、四和六相，满足不同的应用需求。

1.2 功能特性优势

该芯片还具有可编程软启动、精确的阈值使能功能和电源就绪指示等特性，简化了电源轨的排序。同时，它提供了全面的保护功能，如过压保护（OVP）、欠压保护（UVP）、过温保护（OTP）以及平均和峰值电流限制，确保了系统的高可靠性。

1.3 封装设计亮点

ISL81805采用了节省空间的32引脚5mm×5mm TQFN封装，通过散热焊盘（EPAD）提高了热性能和抗噪能力。其全功能设计和较少的引脚数量，使其成为快速上市的简单电源设计的理想解决方案。

二、引脚信息详解

2.1 引脚分配与布局

ISL81805的引脚分配合理，每个引脚都有其特定的功能。例如，COMP1和COMP2是通道1和通道2的电压误差GM放大器输出，用于设置内部电流环的参考；SS/TRK1和SS/TRK2/OV是软启动或跟踪控制引脚，通过连接软启动电容来控制输出电压的上升斜率；VCC5V是内部5V线性稳压器的输出，为芯片提供偏置电源。

2.2 关键引脚功能

RT/SYNC引脚通过连接电阻到地，可以调整默认的开关频率，范围从100kHz到1MHz，也可以与外部时钟信号同步。CLKOUT/DITHER引脚具有双重功能，既可以提供时钟信号来同步其他ISL81805芯片，也可以在连接电容时实现频率抖动功能。

2.3 引脚功能总结

此外，还有许多其他重要的引脚，如PGOOD引脚用于指示通道1输出电压的状态，EN/UVLO1和EN/UVLO2引脚用于控制芯片的启用和禁用，以及实现精确的欠压锁定（UVLO）功能等。通过合理使用这些引脚，可以实现对ISL81805的灵活控制和配置。

三、规格参数分析

3.1 绝对最大额定值

在使用ISL81805时，需要注意其绝对最大额定值，避免在极端条件下使用导致芯片损坏。例如，VCC5V、EN/UVLO1和EN/UVLO2的电压范围为 - 0.3V到 +5.9V，VDD到GND的电压范围为 - 0.3V到 +9V等。

3.2 ESD和热性能规格

ESD（静电放电）评级方面，人体模型（HBM）为2kV，充电设备模型（CDM）为1kV，闩锁电流为100mA。热性能规格方面，32引脚TQFN封装的热阻θJA为29°C/W，θJC为1°C/W，结温范围为 - 55°C到 +150°C，工作温度范围为 - 40°C到 +125°C。

3.3 推荐工作条件

推荐的工作条件包括温度范围为 - 40°C到 +125°C，VIN到GND的电压范围为4.5V到80V，VCC5V、EN/UVLO1和EN/UVLO2到GND的电压范围为0V到5.4V等。在这些条件下工作，可以确保芯片的性能和可靠性。

3.4 电气规格

电气规格详细描述了芯片在各种条件下的性能参数，如输入电压范围、输入电源电流、内部LDO输出电压、开关频率等。这些参数对于工程师进行电路设计和性能评估非常重要。

四、典型性能图表解读

通过典型性能图表，我们可以直观地了解ISL81805在不同条件下的性能表现。例如，关机电流与温度的关系图表显示了在不同温度下芯片的关机电流变化情况；VDD负载调节和线路调节图表则展示了VDD输出在不同负载和输入电压下的稳定性。

4.1 性能图表的作用

这些图表对于工程师在设计电路时选择合适的工作条件和参数具有重要的参考价值，可以帮助我们优化电路设计，提高系统的性能和效率。

4.2 结合实际应用的分析

在实际应用中，我们可以根据这些图表来预测芯片在不同环境和负载下的性能，从而做出合理的设计决策。比如，在高温环境下，我们可以参考关机电流与温度的关系，评估芯片的功耗和散热需求。

五、功能描述与应用

5.1 总体功能架构

ISL81805实现了双升压、双相和多相控制，集成了PWM控制器、内部驱动器、参考电压、保护电路、电流和电压控制输入、PLL时钟和同步控制逻辑以及电流监测输出等功能。它采用峰值电流模式控制，两个通道可以独立控制输出，并保持180°的相位差。

5.2 内部稳压与偏置电路

芯片内部提供了两个输入引脚（VIN和EXTBIAS）和两个内部LDO，为VDD栅极驱动器供电，同时还有一个LDO从VDD生成VCC5V，为其他内部功能电路供电。当使用大MOSFET或高输入电压时，可以通过EXTBIAS引脚施加外部8V偏置电压，以减轻内部8V LDO的功耗。

5.3 启用与软启动操作

每个升压通道都有独立的启用引脚（EN/UVLO1和EN/UVLO2），当引脚电压高于1.3V时，三个LDO被启用；当电压高于1.8V时，相应通道的软启动电路开始工作。软启动时间可以通过连接到SS/TRK引脚的软启动电容来编程，从而减轻启动时的浪涌电流。

5.4 跟踪操作与应用

两个升压输出都可以跟踪外部电源，通过连接电阻分压器到SS/TRK引脚，可以实现跟踪功能。在设计时，需要注意选择合适的电阻值，以确保跟踪效果和避免对软启动电流的影响。

5.5 控制环路与稳定性

ISL81805集成了两个相同的升压控制器，采用峰值电流模式PWM控制算法。它有四个误差放大器，可以分别控制通道1和通道2的输出电压和输入电流，实现恒定输出电压和恒定输入电流。在输出电压调节环路中，通过内部0.8V参考电压和反馈电阻分压器来设置输出电压；在输入平均电流监测和调节环路中，通过电流感测放大器和RC网络来监测和调节输入电流。同时，需要注意优化补偿网络，以确保控制环路的稳定性。

5.6 轻载效率提升

通过将两个通道设置为二极管仿真（DE）和突发模式（Burst mode），可以提高轻载效率。在DE模式下，同步FET根据零交叉检测参考电平进行操作，避免电感电流反向；在Burst mode下，当负载电流低于设定值时，芯片进入低功耗模式，减少功耗。

5.7 预偏置启动功能

每个通道都可以在预偏置输出的情况下软启动，通过在软启动期间运行强制DE模式，避免输出电压被拉低。在这个过程中，过压保护功能仍然有效。

5.8 频率选择与同步

开关频率可以通过连接到RT/SYNC引脚的电阻来设置，需要在效率和组件尺寸之间进行权衡。较低的开关频率可以降低MOSFET的开关损耗，但需要更大的电感和输出电容。此外，芯片还支持频率同步和相位交错，通过RT/SYNC和CLKOUT/DITHER引脚可以实现与外部时钟或其他ISL81805芯片的同步。

5.9 并行操作与电流共享

在双相应用中，内部的即时有源电流共享电路可以确保两个相位之间在稳态和负载瞬态条件下的精确电流共享。多个ISL81805控制的升压转换器可以并联，通过连接IMON1引脚和CLKOUT/DITHER引脚来实现电流共享和相位交错。

5.10 栅极驱动器设计

ISL81805集成了两个几乎相同的高压驱动器对，采用自适应死区时间算法，优化了不同MOSFET条件下的操作。低侧栅极驱动器由VDD供电，高侧栅极驱动器通过飞跨电容自举电路提供电源。在设计时，需要注意合理选择MOSFET和优化自举电路，以确保驱动器的性能和可靠性。

5.11 电源就绪指示功能

PGOOD引脚可以监测通道1输出电压的状态，当FB1引脚电压在参考电压的±11%范围内时，PGOOD引脚在1.1ms后变为高电平，否则为低电平。

六、保护电路设计

6.1 输入欠压锁定

ISL81805具有VIN UVLO保护功能，当输入电压低于3.2V时，芯片进入复位状态，关闭所有功能，以保护芯片免受欠压损坏。

6.2 VCC5V上电复位

VCC5V的上电复位（POR）上升阈值为4V，下降阈值为3.5V。只有当VCC5V达到POR上升阈值后，才能施加EXTBIAS电压。

6.3 过流保护

过流保护包括输入平均过流保护、脉冲逐脉冲峰值电流限制、二级打嗝式峰值电流保护和脉冲逐脉冲负峰值电流限制。通过合理设置电阻值，可以选择不同的过流保护模式，如恒定电流模式或打嗝模式。

6.4 过压保护

过压保护设定点为标称输出电压的114%，当发生过压事件时，芯片尝试通过控制FET来将输出电压带回正常范围。如果过压情况持续，电感电流会变为负值，触发负峰值电流限制，将能量从输出端转移到输入端。

6.5 过温保护

当芯片温度达到 +160°C时，过温保护电路会关闭芯片，当温度下降到 +145°C时，芯片通过全软启动周期恢复正常操作。在过温保护期间，芯片仅消耗100µA电流。

七、布局指南与注意事项

7.1 布局考虑因素

在设计基于ISL81805的DC/DC转换器时，需要仔细考虑布局要求。由于芯片工作在高频状态，即使是最短的走线也会有显著的阻抗，因此需要合理安排组件位置，减少电压尖峰和电磁干扰（EMI）。例如，将输入电容、电感、升压FET和输出电容放置在专用区域，使它们的接地端相邻；将信号组件和IC与功率电路分开布局，使用完整的接地平面；保持关键电流路径短而宽等。

7.2 散热焊盘设计

散热焊盘（EPAD）的设计对于芯片的散热性能至关重要。需要在热焊盘区域填充过孔，并将所有过孔连接到接地平面，以确保良好的热传导。

八、组件选择指南

8.1 MOSFET选择

选择MOSFET时，需要考虑其最大工作电压、导通电阻（rDS(ON)）、栅极电荷和热管理等因素。根据输入电压范围和输出功率要求，选择合适的MOSFET，以确保其在安全工作范围内，并优化效率。

8.2 电感选择

电感的选择应满足输出电压纹波要求，其值决定了纹波电流的大小。通常，纹波电流比在满载条件下为电感平均电流的30%到70%。

8.3 输出电容选择

输出电容的选择需要考虑动态调节要求，如纹波电压和负载瞬态响应。需要根据电感的特性和负载要求，选择合适的电容值和等效串联电阻（ESR），以确保输出电压的稳定性。

8.4 输入电容选择

输入电容的重要参数包括电压额定值和RMS电流额定值。为了确保可靠的操作，应选择电压和电流额定值高于电路最大输入电压和最大RMS电流的电容。同时，可以使用不同类型的电容进行混合，以控制MOSFET两端的电压纹波。

九、总结与展望

ISL81805是一款功能强大、性能优异的80V双同步升压控制器，具有广泛的应用前景。通过合理的电路设计、布局和组件选择，可以充分发挥其优势，为各种工业和通用应用提供稳定、高效的电源解决方案。在未来的设计中，工程师们可以根据具体的应用需求，进一步优化电路，提高系统的性能和可靠性。

你在使用ISL81805的过程中有什么独特的经验或遇到过什么问题吗？欢迎在评论区分享，让我们一起交流探讨。