ISL6740和ISL6741：灵活的双端电压和电流模式PWM控制器

在电源转换领域，高效、可靠且灵活的控制器至关重要。今天，我们就来深入探讨一下RENESAS的ISL6740和ISL6741这两款可调频率、低功耗的脉冲宽度调制（PWM）控制器。

文件下载：ISL6740EVAL1.pdf

产品概述

ISL6740和ISL6741分别为电压模式（ISL6740）和电流模式（ISL6741）控制器，适用于半桥、全桥和推挽配置的各种电源转换应用。它们具有一个极其灵活的振荡器，能精确控制频率、占空比和死区时间。这种先进的BiCMOS设计具有低工作电流、高达1MHz的可调开关频率、可调软启动、内部和外部过温保护、故障报警以及双向SYNC信号等特点，可将振荡器锁定到并联单元或外部时钟，适用于对噪声敏感的应用。

应用领域

• 电信和数据通信电源：确保通信设备稳定运行。
• 无线基站电源：为基站提供可靠的电力支持。
• 文件服务器电源：保障服务器的稳定供电。
• 工业电源系统：满足工业设备的电源需求。
• 直流变压器和总线调节器：实现电压转换和调节。

产品特性

• 精确的占空比和死区时间控制：能精确调节输出，提高电源转换效率。
• 低启动电流：仅95µA，降低功耗。
• 可调延迟过流关断和重启（ISL6740）：增强系统的稳定性和可靠性。
• 可调短路关断和重启：保护电路免受短路损坏。
• 可调振荡器频率高达2MHz：满足不同应用的频率需求。
• 双向同步：方便多个单元同步工作。
• 抑制信号：可灵活控制电路的开启和关闭。
• 内部过温保护：防止芯片因过热损坏。
• 使用热敏电阻或传感器的系统过温保护：提供额外的温度保护。
• 可调软启动：减少启动时的冲击电流。
• 可调输入欠压锁定：防止在欠压情况下工作。
• 故障信号：及时反馈电路故障信息。
• 紧密的电压参考：在不同的线路、负载和温度条件下保持稳定。
• 无铅（符合RoHS标准）：环保且符合相关法规要求。

引脚配置与功能

引脚配置

ISL6740和ISL6741采用16引脚SOIC或16引脚TSSOP封装，每个引脚都有其特定的功能。例如，VDD是电源连接引脚，SYNC用于双向同步，RTC和RTD分别控制振荡器定时电容的充电和放电电流等。

引脚功能

• VDD：为IC提供电源，需用陶瓷电容旁路到GND以优化抗噪性。
• SYNC：双向同步信号，可协调多个单元的开关频率。
• RTC：控制振荡器定时电容的充电电流。
• RTD：控制振荡器定时电容的放电电流。
• CT：连接振荡器定时电容。
• ERROR：PWM比较器的反相输入，控制占空比。
• OTS：过温关断比较器的同相输入，可监测温度或其他参数。
• FAULT：故障信号输出，在输出禁用时置高。
• UV：欠压监测输入引脚，用于输入源欠压锁定和抑制功能。
• CS：电流感测比较器的输入，用于峰值电流模式控制和过流保护。
• GND：参考和电源地，需采用低阻抗布局。
• OUTA和OUTB：交替半周期输出级，可驱动逻辑电平功率MOSFET或MOSFET驱动器。
• VREF：5.00V参考电压输出，需用陶瓷电容旁路到GND。
• SS：连接软启动定时电容，控制软启动时间。
• SCSET：设置对应短路条件的占空比阈值。

工作原理与特性

振荡器

ISL6740和ISL6741的振荡器可编程频率范围可达2MHz，通过两个电阻（RTC和RTD）和一个电容（CT）进行编程。开关周期由定时电容的充电和放电时间决定，可通过公式计算。同步功能可通过外部时钟或连接多个IC的SYNC引脚实现，但自同步不建议用于高于900kHz的振荡器频率。

软启动操作

采用外部电容和内部电流源实现软启动，可减少启动时的应力和浪涌电流。启动时，软启动电路将误差电压输入间接钳位到软启动电压，随着软启动电容电压的增加，输出脉冲宽度增加，占空比从0逐渐增加到调节脉冲宽度。

过流操作

• ISL6740：软启动完成后，过流延迟关断功能启用。检测到过流时，软启动充电电流源禁用，软启动电容通过15µA电流源放电。若电容电压降至4.25V以下，输出禁用，故障信号置高；当电压降至0.27V时，开始新的软启动周期。
• ISL6741：过流时，脉冲逐脉冲占空比减小，不会导致关断。

短路操作

短路条件定义为电流限制和占空比降低同时发生。可通过SCSET输入调整短路占空比阈值，若在检测到过流脉冲前，定时电容电压未超过阈值，则认为发生短路。若在32个振荡器周期内发生8次短路事件，将开始关断和软启动周期。

故障条件

当VREF低于4.65V、UV输入低于1.00V、热保护触发或OTS故障时，会发生故障。故障发生时，OUTA和OUTB输出禁用，故障信号置高，软启动电容快速放电。故障清除且软启动电压低于复位阈值时，开始新的软启动周期。

热保护

提供两种过温保护方法：一是板载温度传感器，当结温超过145°C时保护器件，有15°C的滞后；二是使用内部比较器，通过OTS引脚连接热敏电阻或热传感器，有25µA的开关电流源用于产生滞后。

典型应用与设计

典型应用电路

文档中给出了多个典型应用电路，如ISL6740EVAL1的48V输入直流变压器、12V/8A输出电路，以及ISL6740EVAL2Z的36V - 75V输入、12V/8A输出的调节电路，还有ISL6741的48V - 5V推挽式DC/DC转换器电路。

设计要点

变压器设计

对于半桥应用的变压器设计，需选择合适的磁芯几何形状、确定匝数比、选择合适的磁芯材料和尺寸、确定最大磁通密度、计算匝数、选择线规、确定绕组顺序和绝缘要求，并进行设计验证。

MOSFET选择

主要考虑器件的电流和电压额定值，同时不能忽略FET的漏源电容和栅极电荷。对于初级侧半桥FET和次级侧同步整流FET，需根据具体应用选择合适的器件。

振荡器组件选择

根据所需的开关频率确定振荡器的工作频率，通过计算确定定时电容（CT）、充电电阻（RTC）和放电电阻（RTD）的值，以实现零电压开关（ZVS）。

输出滤波器设计

根据电感电压和电流纹波要求选择输出滤波器的电感和电容值，以确保输出电压的稳定性。

过流组件选择

选择合适的电流感测电阻来设置过流阈值，通过SCSET引脚设置短路占空比阈值。

性能与调节

性能表现

主要性能指标包括效率和负载调节。从典型应用电路的性能曲线可以看出，输出电压会随线路和负载变化，但对于对调节要求不高的应用，这种设计方法是可行的。

调节方法

仅线路调节 - 前馈补偿

通过前馈补偿技术可消除电源电压变化引起的输出电压变化，直接根据输入电压的变化控制占空比，无需闭环反馈系统。

闭环反馈调节

在ISL6740EVAL2Z电路中增加了闭环反馈和隔离功能，通过可编程分流调节器和光耦合器实现误差信号的传输。采用Type 3误差放大器配置进行环路补偿，需考虑输出负载电阻、输出电容和电感值、输出电容ESR等因素对控制环路的影响。

总结

ISL6740和ISL6741是两款功能强大、灵活的PWM控制器，适用于多种电源转换应用。通过合理的设计和组件选择，可以实现高效、稳定的电源转换。在实际应用中，工程师需要根据具体需求和性能要求，灵活运用这些控制器的特性，以达到最佳的设计效果。你在使用这两款控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。