深入剖析ISL62391/92系列：笔记本电脑高效电源控制解决方案

在笔记本电脑等电池供电系统的设计中，电源管理至关重要。瑞萨（RENESAS）的ISL62391、ISL62392、ISL62391C和ISL62392C控制器，为这类系统提供了高效的电源解决方案。接下来，我们就一起深入了解这个系列的控制器。

文件下载：ISL62392CHRTZ-T.pdf

产品概述

ISL62391、ISL62392、ISL62391C和ISL62392C主要用于为电池供电系统生成电源电压。它包含两个脉宽调制（PWM）控制器，输出电压可在0.6V至5.5V之间调节，还有一个线性稳压器（LDO3），能产生固定的3.3V电压，最大输出电流可达100mA。此外，该系列还具备板载上电排序、电源良好（PGOOD）输出、数字软启动以及内部软停止输出放电功能，可防止关机时出现负电压。

关键特性

高性能R³技术

采用专利的R³ PWM控制方案，能实现低抖动系统，对负载瞬变有快速响应。在轻载时，通过周期拉伸不连续导通模式（DCM）操作提高效率。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。

精准输出与灵活配置

输出电压精度达到±1%，拥有两个完全可编程的开关模式电源，且开关频率可编程。固定的3.3V LDO输出，为系统提供稳定的电源。

完善的保护机制

具备过压、欠压和过流保护功能，还有热监测和保护，确保系统在各种情况下都能稳定运行。

宽工作范围

输入电压范围为5.5V至25V，工作温度范围为 -40°C至 +100°C，适用于多种环境。

产品差异

ISL62391、ISL62391C和ISL62392、ISL62392C除了过压保护处理方式不同外，其他方面基本相同。ISL62391和ISL62391C采用三态过压方案，而ISL62392和ISL62392C采用软撬棍方法。

引脚功能

该系列采用28引脚4x4 TQFN封装，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，当所有输出正常且无故障时输出高电平。
• FSET1/2：用于设置开关模式电源（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，高电平强制连续导通模式（CCM），低电平允许完全不连续导通模式（DCM），浮空时为超声波DCM操作。

典型应用电路

文档中给出了多种典型应用电路，可生成笔记本电脑中的5V/8A和3.3V/8A（系统调节器），或1.05V/15A和1.5V/15A（芯片组）电源。输入电源（VBAT）范围为5.5V至25V。

工作原理

三输出控制器

该系列控制器可生成三个稳压输出电压，其中两个由开关模式电源（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，使控制器能从单个电源（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Intersil的R³技术，结合了固定频率PWM和可变频率滞环控制。R³调制器合成一个交流信号VR，其占空比由通过纹波电容CR的充放电电流决定。开关频率与VR的正负斜率的压摆率成正比，与VW和VCOMP之间的电压成反比。

上电复位

在VIN引脚电压上升超过上电复位（POR）阈值之前，控制器处于禁用状态；当VIN引脚电压下降到POR下降阈值以下时，控制器也会被禁用。同时，PVCC引脚也会被监控，如果其电压低于4.2V，SMPS输出将被关闭。

使能、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。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，PGOOD引脚会拉低，向系统发出输出电压失调的信号。

MOSFET栅极驱动输出

内部有用于高端和低端N沟道MOSFET的栅极驱动器。低端栅极驱动器针对低占空比应用进行了优化，采用自适应直通保护，典型死区时间为21ns。高端栅极驱动器的电源由连接在BOOT和PHASE引脚之间的“引导”电容提供。

二极管仿真

FCCM引脚可控制电源状态。当FCCM为高电平时，控制器在整个负载范围内以强制连续导通模式（CCM）运行，能提供最佳的瞬态响应，但轻载时功率损耗会增加；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。

保护功能

• 过流保护：通过连接在OCSET和PHASE引脚之间的电阻ROCSET来编程过流保护（OCP）设定点。当OCSET1引脚电压高于ISEN1引脚电压超过10µs时，控制器会宣布OCP故障。
• 过压保护：当FB引脚电压高于过压阈值超过2µs时，触发OVP故障检测电路。ISL62391和ISL62391C在故障时会将PHASE节点三态化，而ISL62392和ISL62392C的LGATE栅极驱动器输出会根据输出电压的变化来切换低端MOSFET的开关状态，以保护负载。
• 欠压保护：当FB引脚电压低于欠压阈值超过2µs时，触发UVP故障检测电路，PGOOD引脚会拉低并锁存关闭转换器。

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来编程输出电压，输出电压范围为0.6V至5.5V。

补偿设计

推荐使用Type-II补偿电路，通过RTOP、RFB、CFB和CINT组成补偿网络，可实现闭环稳定性。Intersil还提供基于PC的工具来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，还提供一个固定的3.3V LDO输出（LDO3），最大连续输出电流为100mA，并有电流限制功能。

热监测和保护

持续监测芯片的管芯温度，如果温度超过 +150°C，所有输出将被关闭，直到结温降至 +135°C以下。

应用设计指南

选择LC输出滤波器

根据输入和输出电压计算占空比，选择合适的输出电感和电容，以满足输出电流纹波和电压纹波的要求。同时，要考虑电感的饱和特性和电容的ESR、电感等参数。

选择输入电容

选择具有足够电压和RMS电流额定值的大容量输入电容，同时推荐使用低ESL陶瓷电容进行去耦。

MOSFET选择

选择具有足够VDS额定值的MOSFET，高端MOSFET应强调低栅极电荷，低端MOSFET应强调低rDS(ON)。

选择引导电容

根据高端MOSFET的总栅极电荷和允许的电压衰减来选择引导电容。

布局考虑

功率层应位于PCB底层，弱模拟或逻辑信号层位于顶层，接地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

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、可靠的电源解决方案。其丰富的功能和完善的保护机制，能满足不同应用场景的需求。在设计过程中，工程师需要根据具体要求合理选择组件和进行布局，以确保系统的性能和稳定性。你在使用这类控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。