解析ISL6310EVAL1Z两相位降压转换器评估板

在现代众多电源系统应用中，如DDR/芯片组核心电压调节器、大电流低压DC/DC转换器等，都对电源管理IC提出了更高的要求。ISL6310EVAL1Z就是这样一款满足高要求的评估板，下面将对其进行详细解析。

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一、ISL6310芯片特性

（一）设计创新

ISL6310是一款节省空间、成本效益高的解决方案。它是集成了大电流MOSFET驱动器的两相PWM控制IC，将5V - 12V大电流MOSFET驱动器集成到控制器IC中，与以往多相产品系列的独立PWM控制器和驱动器配置不同，减少了外部元件数量，实现了成本和空间的节省。

（二）输出电压编程

输出电压可以通过片上DAC或外部精密参考进行编程。DAC参考可通过两位代码编程为4种可能值（0.6V、0.9V、1.2V和1.5V）之一。同时，提供单位增益差分放大器用于远程电压感应，补偿远程和本地接地之间的任何电位差，还可通过单个外部电阻对输出电压进行偏移。此外，还实现了可选的下垂功能，对于输出电压变化要求不太严格或阶跃负载不太严重的应用，可禁用该功能。

（三）独特的电流传感方式

ISL6310独特地结合了DCR和rDS(ON)电流传感。通过连续的电感DCR电流传感实现负载线电压定位和过流保护，而rDS(ON)电流传感用于精确的通道电流平衡，充分利用了两种技术的优势。

（四）保护功能

该控制器IC具有一套复杂的过压和过流保护功能。过压时，转换器会导通下MOSFET以钳位上升的输出电压，保护负载，还提供OVP输出以驱动可选的撬棒装置。过流保护水平通过单个外部电阻设置，此外还具备针对远程传感输入开路的保护功能，为输出负载提供了高级保护。

二、ISL6310EVAL1Z评估板设计

（一）评估套件组成

评估套件包括ISL6310EVAL1Z评估板、ISL6310数据手册和本应用笔记。评估板针对无下垂的两相操作进行了优化，标称输出电压为1.5V（DIP开关U2设置为11位置），最大输出电流为60A。

（二）评估板特点

1. 测试点与电压选择：评估板提供方便的测试点、用于从4种可能值（0.6V、0.9V、1.2V和1.5V）中选择DAC（REF）电压的DIP开关、用于将输出电压调整至2.3V的电阻分压器占位，以及板载瞬态负载发生器，便于评估过程。板载LED用于指示PGOOD信号的状态。
2. PCB设计：印刷电路板采用6层、2盎司铜设计，应用笔记末尾提供了布局图和零件清单。

三、快速启动评估步骤

（一）准备工作

在对评估板进行任何操作之前，确保“Enable”开关（S1）和“Transient Load Generator”开关（S2）都处于ON位置，分别对应转换器禁用和瞬态负载发生器关闭。

（二）电源连接

1. 在J7和J8之间连接一个12V、10A的实验室电源，该电源提供VIN和PVCC（原始板配置）。
2. 在J23和GND之间连接一个5V、1A的实验室电源，该电源提供VCC偏置（如果板配置为5V PVCC，则也提供PVCC偏置）。

（三）设置参考电压

将“REF Selection” DIP开关（U2）设置为11，对应(DAC = REF = 1.5V)，默认情况下评估板设置为1.5V的参考电压。

（四）连接负载

在VOUT端子（J1、J2）和GND端子（J3、J4）之间连接负载（电阻性或电子负载）。

（五）启动调节

将“Enable”开关（S1）移至OFF位置，释放IC ENLL引脚使其上升，开始调节。之后，ISL6310EVAL1Z应在“V ("VoUT+") 和 ("VoUT") -”测试点（P20、P21）和J5处将输出电压调节到REF电压，“PGOOD Indicator” LED（D1）应变为绿色，表明调节器正常工作。

四、评估板功能特性

（一）输入电源连接

ISL6310EVAL1Z允许使用标准实验室电源为板供电，提供两个香蕉插头用于连接实验室电源。将+5V端子连接到P23，+12V端子连接到J7，公共接地连接到端子J8，为评估板供电时不需要电压排序。电源施加到板上后，PGOOD LED指示灯将开始亮起红色，当S1处于ON位置时，ISL6310的ENABLE输入被拉低，启动序列被抑制。

（二）输出电源连接

评估板的输出可以使用电阻性或电子负载进行测试，铜合金端子提供负载连接点。将正负载连接到VOUT端子J1和J2，负负载连接到接地端子J3和J4，屏蔽示波器探头测试点J5允许检查输出电压VOUT。

（三）REF和VOUT设置

REF DIP开关预设为11（1.500V），也可以使用DIP开关上的不同代码选择1.2V、0.9V和0.6V输出。如果需要不同于4种可能REF值的输出电压，可以使用由R90（初始为0Ω）和R81（初始开路）组成的输出电阻分压器（参考数据表和“调整输出电压”部分进行电阻值计算）。当REF电压设置为1.5V时，ISL6310可用于高达2.3V的输出电压。

（四）PVCC电源选项

ISL6310的一个独特功能是集成驱动器的可变栅极驱动偏置，内部驱动器的栅极驱动电压可以是+5V到+12V之间的任何电压，只需将所需电压连接到控制器的PVCC引脚。评估板设计支持多种PVCC电压选项，通过填充和移除某些电阻可以在不同的PVCC电压之间切换，评估板上有+5V、+12V和+8V（来自板载线性稳压器）三种板载电压可用。

（五）启用控制器

要启用控制器，必须为板供电，设置REF（DAC）代码，并设置PVCC和VCC电压。如果正确遵循这些步骤，通过将“ENABLE”开关（S1）切换到OFF位置来启用调节器。当S1切换到OFF时，ISL6310的ENLL引脚电压将上升到0.66V的ENLL阈值以上，控制器将开始其数字软启动序列，输出电压上升到编程设置，此时PGOOD指示灯将从红色变为绿色。

（六）板载负载瞬态发生器

大多数台式电子负载无法产生模拟大多数现代负载所需的电流变化率，因此评估板上提供了一个离散的瞬态负载发生器。该发生器产生持续时间为500μs、周期为27ms的负载脉冲，脉冲幅度约为25A，上升和下降变化率约为50A/μs。要启动负载发生器，只需将开关S2置于“OFF”位置。如果DAC代码从11（1.500V）更改，必须相对于新的输出电压水平调整瞬态发生器的动态。

（七）电感DCR静态电流感测点

ISL6310EVAL1Z的一个独特功能是能够通过万用表测量每个通道电感的DCR上的电压降。这通过在每个电感上并联一个电容和电阻串联电路来实现，当电流(I_{L})流过电感时，DCR上产生的电压降将被R - C电路感测到，并在电容C上产生等效电压。由于该R - C电路的时间常数非常大，因此只能用于测量静态电流，而不能测量瞬态电流。要计算每个电感中的电流，测量ISL6310EVAL1Z上“DCR SENSE”点的电压，然后将该数值除以电感的DCR，即可得到静态负载期间每个通道的准确电流读数。

五、评估板设计修改

（一）电流平衡电阻

ISL6310使用下MOSFET rDS(ON)电流传感来测量每个通道的电流并相应地进行平衡。如果ISL6310EVAL1Z上的下MOSFET发生更改，应更改电流平衡电阻R18和R20以适应rDS(ON)的变化。参考ISL6310数据表第19页选择新的电流感测电阻，R18调整通道1的电流，R20调整通道2的电流，这些电阻也可用于调整由于布局引起的任何电流不平衡。

（二）负载线（下垂）调节

ISL6310具有可选的下垂功能，ISL6310EVAL1Z评估板设计针对无下垂情况进行了优化。下垂选项的选择可参考相关表格，若启用下垂功能，需要重新计算补偿网络以实现最佳的环路响应和稳定性。ISL6310使用电感DCR传感R - C网络来创建与所有活动通道中的总电流成比例的输出电压变化（下垂），该网络不仅能精确控制调节器的负载线，还能对DCR因温度升高而可能导致的负载线偏移进行热补偿。

（三）过流保护水平

ISL6310使用单个电阻来设置IC过流保护电路的最大电流水平，参考ISL6310数据表第17页，相应地调整电阻R11以设置所需的过流跳闸水平。

（四）输出电压偏移

ISL6310允许设计人员精确地对输出电压进行正负偏移，只需在OFS和VCC引脚之间或OFS引脚和GND之间连接一个电阻。ISL6310EVAL1Z板上提供了这两种电阻选项，要正向偏移输出电压，填充电阻R5；要负向偏移输出电压，填充电阻R7。参考ISL6310数据表第13页准确计算这些电阻值。

（五）开关频率

ISL6310EVAL1Z板的开关频率设置为400kHz的最佳值，对于给定设计，该频率能提供最佳的效率和性能（(R13 = 60.4kΩ)）。然而，开关频率可以在每相80kHz到1.5MHz之间调整。在实际应用中，许多因素会影响开关频率的选择，包括效率和栅极驱动损耗（取决于MOSFET选择和栅极驱动电压）。由于ISL6310集成了MOSFET驱动器，选择开关频率时必须考虑驱动器损耗。要更改开关频率，参考ISL6310数据表第24页，相应地调整频率设置电阻R13的值。

（六）MOSFET栅极驱动电压（PVCC）

ISL6310中集成驱动器的栅极驱动偏置电压可以是+5V到+12V之间的任何电压，通过将所需电压连接到IC的PVCC引脚来设置该偏置电压。

（七）活动相数

ISL6310具有1相或2相操作选项，ISL6310EVAL1Z通过简单地填充或移除一两个电阻R26和R29来改变活动相数。

六、ISL6310性能表现

（一）软启动间隔

ISL6310EVAL1Z的典型启动波形展示了调节器DAC设置为1.50V时的软启动序列。在软启动间隔开始之前，VCC和PVCC高于POR，DAC设置为11。满足这两个条件后，将ENABLE开关切换到OFF位置，使ENLL引脚电压上升到ISL6310的启用阈值以上，开始软启动序列。在0.6ms的延迟时间内，由于控制器内软启动的实现方式，VOUT不会变化。经过这个延迟（大约等于240个开关周期）后，VOUT开始线性上升到DAC电压。转换器以400kHz运行时，这个上升过程大约需要4.3ms，在此期间，由于输出电压的受控建立，输入电流ICC12也会缓慢上升。当VOUT达到DAC设定点时，PGOOD引脚上的内部下拉被释放，PGOOD到VCC的电阻将PGOOD拉高，PGOOD LED指示灯从红色变为绿色。对于启动到预充电输出的情况，ISL6310会保持两组输出MOSFET关闭，直到内部斜坡开始超过FB引脚处感测到的输出电压。

（二）瞬态响应

ISL6310EVAL1Z设计为无下垂，最大输出负载电流为60A。负载阶跃约为25A，瞬态期间的输出电压变化保持在峰峰值100mV以下，负载阶跃在上升和下降沿的最大变化率约为50A/μs。板载负载瞬态发生器可提供指定的负载阶跃，也可适应不同的负载阶跃和电流变化率。在负载阶跃发生时，输出电容提供初始输出电流，由于电容的ESR和ESL电压降，VOUT会突然下降，控制器会立即响应，将PWM占空比增加到66%，然后降低占空比以稳定VOUT。负载脉冲结束时，负载电流回到0A，输出电容吸收电感电流，导致VOUT突然上升，控制器会立即响应，将PWM占空比降至零，然后相应地增加以将VCORE调节到编程的1.5V水平。

（三）过流保护

当发生过流事件时，ISL6310会停止所有调节并保护敏感负载。它通过持续监测总输出电流并将其与OCSET电阻R11设置的过流跳闸水平进行比较来实现。如果输出电流超过跳闸水平，ISL6310会立即关闭上下MOSFET，使VOUT降至0V，控制器将UGATE和LGATE信号保持在该状态4096个开关周期（在400kHz时为10.25ms），然后重新初始化软启动周期。如果导致过流跳闸的负载仍然存在，在软启动周期完成之前会再次发生过流跳闸，控制器将继续尝试无限期地循环软启动，直到负载电流降低或控制器被禁用。

（四）预POR过压保护

在PVCC和VCC超过其POR水平之前，ISL6310设计为保护负载免受任何可能发生的过压事件影响。通过从PHASE到LGATE连接一个内部10kΩ电阻，导通下MOSFET以控制输出电压，直到输入电源电流限制自身并切断。

（五）过压保护

在正常运行期间，ISL6310持续监测输出电压。如果输出电压超过特定限制（内部设置），控制器会命令LGATE信号为高，导通下MOSFET以保持输出电压低于可能对负载造成损坏的水平。如果这导致输入电源电压降至ISL6310的POR水平以下，控制器会使用预POR过压保护来确保输出负载始终免受高压尖峰的影响。

（六）效率

在室温下且无气流的热平衡状态下，对ISL6310EVAL1Z板在(VOUT = 1.5V)和(VOUT = 1.8V)时，从0A到60A加载的效率进行了测量。对于(PVCC = 12V)，(VOUT = 1.5V)时效率在35A时峰值略低于88%，在60A时稳定在约86%；(VOUT = 1.8V)时效率在35A时峰值略低于89%，在60A时稳定在约87%。对于(PVCC = 5V)，(VOUT = 1.5V)时效率在17A时峰值约为89%，在60A时降至约84%；(VOUT = 1.8V)时效率在20A时峰值约为90%，在60A时降至约86%。使用气流可以提高整个负载范围内的效率，并使组件保持较低温度，从而提高可靠性和组件寿命。

七、评估板修改操作

（一）调整输出电压

可以通过更改内部DAC的2位输入（REF1，REF0）来调整输出电压，参考数据表了解可用的电压范围和所需设置。偏移引脚（OFS）允许对输出电压进行小范围（小于100mV）的正负偏移。如果需要超出内部DAC正常范围的输出电压设置，需要使用从负载输出端子连接到VSEN引脚的单独电阻分压器，并根据相关公式计算电阻值。

（二）不同输入电压的降压转换

ISL6310EVAL1Z由实验室电源供电，标记为“+12V”的输入可以根据需要调低。在尝试较低电压时，需要注意以下几点：

1. 控制器的占空比限制为66%，如果输入电压降低到足以导致占空比饱和的水平，电路将无法正常调节输出电压。
2. 输入电压降低时，输入RMS电流可能会增加，两相在占空比约为25%时、单相在占空比约为50%时会达到最大值。
3. 由于评估板出厂时未针对高占空比操作进行优化，需要密切监测板温度，并仅根据板的热性能增加输出电流。

ISL6310EVAL1Z评估板为电子工程师提供了一个强大而灵活的工具，可用于测试和开发各种电源系统应用。通过对其特性、功能和性能的了解，工程师们可以更好地利用该评估板来满足不同的设计需求。你在使用类似评估板时是否也遇到过一些独特的问题呢？