深入解析ISL6721：灵活的单端电流模式PWM控制器

控制器概述

ISL6721是一款低功耗、单端脉冲宽度调制（PWM）电流模式控制器，专为广泛的DC/DC转换应用而设计，包括升压、反激和隔离输出配置。它采用峰值电流模式控制，能有效处理电源瞬变，并提供固有的过流保护。其先进的BiCMOS设计具有低工作电流、高达1MHz的可调工作频率、可调软启动以及双向同步信号等特点。

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应用领域

• 电信和数据通信电源
• 无线基站电源
• 文件服务器电源
• 工业电源系统
• 隔离降压和反激调节器
• 升压调节器

主要特性

• 1A MOSFET栅极驱动器
• 100µA启动电流
• 采用峰值电流模式控制实现快速瞬态响应
• 可调开关频率高达1MHz
• 双向同步功能
• 低功耗禁用模式
• 过压和过流关断故障后的延迟重启
• 可调斜率补偿
• 可调软启动
• 可调过流关断阈值
• 可调欠压和过压监测
• 前沿消隐
• 集成热关断
• 1%容差电压基准
• 无铅可选（符合RoHS标准）

电气特性

绝对最大额定值

参数	数值
电源电压 (V{CC}, V{C})	(GND - 0.3V) 至 +20.0V
GATE	(GND - 0.3V) 至栅极输出限制电压
PGND 至 LGND	±0.3V
VREF	(GND - 0.3V) 至 5.3V
信号引脚	(GND - 0.3V) 至 VREF
峰值GATE电流	1A

热信息

封装类型	热阻 (θ_{JA}) (°C/W)
16 Ld SOIC	80
16 Ld TSSOP	105
最大结温	55°C 至 +150°C
最大存储温度范围	-65°C 至 +150°C
无铅回流曲线	见TB493

工作条件

• 温度范围：ISL6721Ax为 -40°C 至 +105°C
• 电源电压范围（典型值）：9VDC 至 18VDC

电气规格

涵盖欠压锁定、参考电压、电流检测、误差放大器、振荡器、同步、软启动、斜率补偿、栅极输出、过流保护、过压和欠压监测以及热保护等方面的详细参数。例如，欠压锁定的启动阈值为7.95 - 8.55V，停止阈值为7.40 - 8.20V；参考电压在不同温度范围内的精度有所不同。

引脚功能

SLOPE

用于增加ISENSE斜坡斜率，以提高噪声免疫力或改善占空比大于50%时的控制环路稳定性。内部电流源在每个开关周期对外部电容充电至GND，产生的斜坡按比例添加到ISENSE信号中。

SYNC

双向同步信号，用于协调多个单元的开关频率。可通过连接各单元的SYNC信号或使用外部主时钟信号实现同步。即使使用外部时钟，仍需要振荡器定时电容 (C_{T}) 。

RTCT

振荡器定时控制引脚。通过在VREF和该引脚之间连接电阻 (R{T}) ，以及从该引脚到LGND连接定时电容 (C{T}) ，可设置工作频率和最大占空比。

COMP

误差放大器的输出和PWM比较器的输入。控制环路频率补偿网络连接在COMP和FB引脚之间。

FB

反馈电压输入，连接到误差放大器的反相输入。当FB输入小于2.0V时，电流检测前沿消隐功能禁用。

OV 和 UV

分别为过压和欠压监测输入引脚，与内部参考电压比较以检测相应的异常情况。

ISENSE

电流检测比较器的输入。IC有两个电流检测比较器，分别用于峰值电流模式控制和过流保护。过流比较器阈值可通过ISET引脚调节。

LGND 和 PGND

LGND是所有模拟功能的小信号参考地，PGND为输出栅极驱动器提供专用接地。两者应通过靠近IC的短印刷电路板走线外部连接。

GATE

器件输出，是一个高电流功率驱动器，能够以1.0A的峰值电流驱动功率MOSFET的栅极。当VCC低于UVLO阈值时，GATE输出被主动拉低。

VC

用于输出栅极驱动的单独集电极电源。单独的VC和PGND有助于将IC的模拟电路与高功率栅极驱动噪声解耦。

VCC

器件的电源连接。静态电流ICC较低，但取决于工作频率。为优化噪声免疫力，应使用陶瓷电容尽可能靠近VCC和LGND引脚进行旁路。

VREF

5V参考电压输出。使用0.01µF或更大的电容旁路到LGND以过滤该输出。

SS

连接软启动电容到LGND，以控制软启动的持续时间。电容值决定了启动期间占空比的增加速率，也控制过流关断延迟。

ISET

施加0.35V至1.2V的直流电压到该输入，可设置逐脉冲过流阈值。

功能描述

振荡器

ISL6721具有一个锯齿波振荡器，可编程频率范围可达1MHz，可通过RTCT引脚的电阻和电容进行编程。

同步实现

振荡器可通过SYNC引脚同步到外部时钟，或通过连接多个IC的SYNC引脚实现同步。外部主时钟信号的频率至少应为振荡器自由运行频率的65%，且脉冲宽度应大于20ns。

软启动操作

采用外部电容和内部电流源实现软启动，可减少启动期间的电压应力和浪涌电流。启动时，软启动电路将误差放大器输出（COMP引脚）钳位到与软启动电压成比例的值，随着软启动电容电压上升，输出脉冲宽度从0增加到稳态工作占空比。

栅极驱动

能够提供和吸收1A的峰值电流。单独的集电极电源（VC）和功率地（PGND）引脚有助于将IC的模拟电路与高功率栅极驱动噪声隔离。

斜率补偿

对于占空比小于50%的应用，斜率补偿可提高噪声免疫力；对于占空比大于50%的应用，斜率补偿是防止不稳定所必需的。

过压和欠压监测

OV和UV信号输入到窗口比较器，用于监测转换器的输入电压水平。如果电压超出用户指定的工作范围，将发生关断故障。

过流操作

过流阈值由ISET引脚的电压设置。当检测到过流情况时，软启动充电电流源禁用，放电电流源启用，软启动电容开始放电。如果放电到4.375V以下，输出将被禁用，Icc降至200µA约295ms，然后启动新的软启动周期。

前沿消隐

ISENSE输入的电流反馈信号的初始100ns被前沿消隐电路去除，防止电源寄生元件产生的电流尖峰导致PWM比较器和过流比较器误触发。

故障条件

当VREF低于4.65V、OV输入超过2.50V、UV输入低于1.45V或管芯结温超过约+130°C时，将发生故障。检测到故障时，GATE输出被禁用，软启动电容快速放电。

设计应用

参考设计

“典型升压转换器应用原理图”展示了ISL6721在传统双输出10W不连续模式反激式DC/DC转换器中的应用。输入电压范围为36VDC至75VDC，两个输出分别为3.3V/2.5A和1.8V/1.0A。

电路元件描述

包括输入存储和滤波电容、隔离变压器、初级电压钳位、启动偏置调节器、工作偏置和调节器、主MOSFET功率开关、电流检测网络、反馈网络、控制电路、输出整流和滤波以及次级缓冲器等。

设计标准

• 开关频率：200kHz
• 输入电压 (V_{IN}) ：36V至75V
• 输出电压 (V{OUT(1)}) ：3.3V/2.5A， (V{OUT(2)}) ：1.8V/1.0A， (V_{OUT(BIAS)}) ：12V/50mA
• 输出功率 (P_{out}) ：10W
• 效率：70%
• 最大占空比 (D_{MAX}) ：0.45

变压器设计

是一个迭代过程，需要考虑多个因素，如核心几何形状、核心材料、最大磁通密度、核心尺寸、匝数、匝数比、线规、绕组顺序和绝缘要求等。

功率MOSFET选择

需要考虑应用中遇到的电压和电流应力、器件的功耗、尺寸和成本等因素。

输出滤波器设计

主要关注输出滤波器电容的纹波电流应力以及输出的纹波和噪声规格。

控制环路设计

反馈控制环路的主要组件包括可编程并联稳压器、光耦合器和ISL6721的反相放大器。环路补偿围绕转换器次级侧的误差放大器进行。

总结

ISL6721是一款功能强大、特性丰富的单端电流模式PWM控制器，适用于多种DC/DC转换应用。在设计过程中，需要综合考虑各个方面的因素，包括电气特性、引脚功能、功能描述以及具体的设计应用等，以确保系统的稳定性和性能。你在使用ISL6721进行设计时，是否也遇到过一些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。