深入剖析 ISL81806：80V 双同步降压控制器的卓越性能与应用指南

在电子工程师的设计生涯中，选择一款合适的降压控制器至关重要。今天，我们就来详细探讨瑞萨电子（Renesas）的 ISL81806 双同步降压控制器，它在工业和通用领域的各种应用中展现出了出色的性能。

文件下载：Renesas Electronics ISL81806 80V双路同步降压控制器.pdf

一、ISL81806 概述

ISL81806 是一款双同步降压控制器，能够生成两个独立输出或一个具有两个交错相位的输出，适用于电信、数据中心和计算等广泛应用。其输入和输出电压范围宽广，输入电压范围为 4.5V 至 80V，输出电压范围为 0.8V 至 76V，为不同的应用场景提供了极大的灵活性。

该控制器提供 5.3V 的栅极驱动电压，死区时间设置小，非常适合 E 模式 GaN FET 设备。它采用峰值电流模式控制，并对两个输出进行相位交错，每个输出都有电压调节器、电流监视器和平均电流调节器，可实现独立的平均电压和电流控制。内部锁相环（PLL）振荡器可确保 100kHz 至 2MHz 的精确频率设置，并且振荡器可以与外部时钟信号同步，用于频率同步和相位交错并联应用。

二、关键特性分析

2.1 宽电压范围

宽输入和输出电压范围使得 ISL81806 能够适应多种电源环境，无论是高电压输入的工业设备，还是低电压输出的精密电子器件，它都能稳定工作。

2.2 高效驱动能力

5.3V 的栅极驱动电压和四个 FET 驱动器，为驱动 E 模式 GaN FET 提供了足够的动力，同时小死区时间设置有助于提高效率。

2.3 灵活的工作模式

支持双交错输出或单输出的双相交错操作，并且可编程频率范围为 100kHz 至 2MHz，工程师可以根据具体应用需求进行灵活调整。

2.4 轻载效率增强

通过低纹波二极管仿真和突发模式操作，在轻载情况下能够有效提高效率，降低功耗。

2.5 全面保护功能

具备过压保护（OVP）、欠压保护（UVP）、过温保护（OTP）以及平均和峰值电流限制等功能，确保了系统的高可靠性。

三、引脚信息详解

ISL81806 共有 32 个引脚，每个引脚都有其特定的功能。以下是一些关键引脚的介绍：

3.1 COMP1 和 COMP2

分别为通道 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。反馈补偿网络连接在 COMP 引脚和 SGND 引脚之间，当 COMP 引脚电压低于 1.1V 时，PWM 占空比降至 0%。

3.2 SS/TRK1 和 SS/TRK2/OV

用于软启动或跟踪控制。当用于软启动时，通过连接到地的软启动电容来设置输出电压的上升斜率；当用于跟踪时，可使输出电压跟踪外部电源的电压。

3.3 VCC5V

内部 5V 线性稳压器的输出，为 IC 提供偏置电压，必须使用至少 4.7µF 的陶瓷电容进行去耦。

3.4 RT/SYNC

通过连接到地的电阻来设置默认开关频率，也可以与外部时钟信号同步。

3.5 CLKOUT/DITHER

具有双重功能，可输出时钟信号用于同步其他 ISL81806 控制器，也可在连接电容时启用频率抖动功能。

四、工作模式与控制策略

4.1 软启动与跟踪操作

软启动功能通过调节软启动电容的充电时间来缓解启动时的浪涌电流，其典型软启动时间可根据公式 $t{SS}=0.8Vleft(frac{C{SS}}{2 mu A}right)$ 计算。当软启动时间小于 1.7ms 时，内部 1.7ms 的软启动电路将接管。同时，该引脚还可用于跟踪操作，使输出电压跟踪外部电源的电压。

4.2 控制环路

ISL81806 集成了两个相同的降压控制器，采用峰值电流模式 PWM 控制算法。通过电流感测电阻或 DCR 感测来获取电感电流信号，由 COMP 引脚的电压控制电感电流。四个误差放大器（Gm1 - 4）分别控制通道 1 和通道 2 的输出电压和电流，实现恒定电压和恒定电流输出。

4.3 轻载效率增强

可通过设置 DE 模式和突发模式来提高轻载效率。当设置为 DE 模式时，电感电流不允许反向，在轻载条件下进入二极管仿真模式。当负载电流小于设定值时，进入突发模式，此时 BSTEN 引脚变低。通过在 BSTEN 和 IMON 引脚之间添加电阻可扩展滞后，避免进入/退出突发模式时的抖动。

五、保护电路设计

5.1 过流保护（OCP）

包括输出平均过流保护、逐脉冲峰值电流限制、打嗝式峰值电流保护和逐脉冲负峰值电流限制。通过连接不同阻值的电阻到 LG2/OC_MODE 引脚，可以设置不同的 OCP 模式。

5.2 过压保护（OVP）

过压设定点为标称输出电压的 114%。当发生过压事件时，IC 尝试通过关闭高端 FET 并打开低端 FET 来使输出电压恢复正常。如果过压情况持续，电感电流变为负值，触发负峰值电流限制，转换器将能量从输出端转移到输入端。

5.3 过温保护（OTP）

当芯片温度达到 +160°C 时，过温保护电路将关闭 IC。当温度降至 +145°C 以下时，通过完整的软启动周期恢复正常工作。在 OTP 关闭期间，IC 仅消耗 100µA 电流。

六、布局与元件选择建议

6.1 布局指南

• 优先放置输入电容、降压 FET、电感和输出电容，并将这些功率元件隔离在电路板的专用区域，使其接地端子相邻。
• 输入和输出高频去耦陶瓷电容应靠近 FET 放置，以减少噪声干扰。
• 保持输入电容、降压 FET 和电感形成的环路尽可能小，以降低电磁干扰。
• 信号组件和 IC 与功率电路分开布局时，可使用内部层的完整接地平面共享 SGND 和 PGND；否则，应使用单独的接地平面，并在靠近 IC 处连接 SGND 和 PGND。
• 确保 PWM 控制器 IC 靠近低端 FET，FET 栅极驱动连接应短而宽，IC 应放置在安静的接地区域，避免开关接地环路电流。
• VDD 旁路电容应靠近 IC 的 VDD 引脚放置，并将其接地端连接到 PGND 引脚，通过过孔将 PGND 引脚连接到接地平面。
• 栅极驱动组件（BOOT 二极管和 BOOT 电容）应靠近控制器 IC 放置，使用铜填充多边形或宽短迹线连接上 FET、下 FET 和输出电感的结点，并保持 PHASE 结点与 IC 的连接短。
• 高速开关结点应远离控制电路，创建一个靠近 IC 的独立小模拟接地平面，将 SGND 引脚连接到该平面，并将所有小信号接地路径连接到该 SGND 平面。
• 输入或输出电流感测连接应使用一对具有最小环路的迹线，确保反馈连接到输出电容的路径短而直接。

6.2 元件选择

• 功率 FET：根据 $r{DS(ON)}$、栅极电源要求和热管理考虑选择 FET，确保其最大工作电压能够承受最大 $V{IN}$ 电压，并通过计算传导损耗和开关损耗来评估功率耗散。
• 电感：根据输出电压纹波要求选择电感值，通常在满载输出条件下，纹波电流比率为电感平均电流的 30% 至 70%。
• 输出电容：选择输出电容以满足动态调节要求，包括纹波电压和负载瞬态。输出电容的选择还取决于电感，需要进行一些电感分析。输出电容的计算公式为 $C{OUT }=frac{(L)left(I{TRAN }right)^{2}}{2left(V{IN }-V{OUT }right)left(D V{OUT }right)}$，输出电压纹波由电感纹波电流和输出电容的 ESR 决定，即 $V{RIPPLE }=Delta I_{L}(ESR)$。
• 输入电容：选择输入电容时，要考虑电压额定值和 RMS 电流额定值。电容电压额定值应至少为最大输入电压的 1.25 倍，建议为 1.5 倍。AC RMS 输入电流随负载变化，计算公式为 $I{RMS }=sqrt{DC - DC^{2}} × I{OUT }$，在 $V{IN }=2 ×V{OUT }$，$DC = 50%$ 时，最大 RMS 电流为 $I{RMS }=frac{1}{2} × I{OUT }$。使用混合输入旁路电容控制 FET 两端的电压纹波，高频去耦使用陶瓷电容，大容量电容提供 RMS 电流。

七、总结

ISL81806 作为一款功能强大的双同步降压控制器，在性能、灵活性和保护功能方面都表现出色。其宽电压范围、高效驱动能力、多种工作模式和全面的保护电路，使其成为工业和通用领域各种应用的理想选择。在设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择元件并优化布局，以充分发挥 ISL81806 的优势，实现高效、稳定的电源设计。

希望通过本文的介绍，能帮助电子工程师更好地理解和应用 ISL81806 控制器，在实际设计中取得更好的效果。如果你在使用过程中有任何问题或经验，欢迎在评论区分享交流。