基于ISL6752DBEVAL1Z和ISL6754DBEVAL1Z控制卡的DC - DC电源设计

一、引言

在电源设计领域，ISL6752DBEVAL1Z和ISL6754DBEVAL1Z这两款插件式子卡上的DC - DC电源控制器备受关注。它们采用了Intersil的ZVS谐振开关全桥拓扑，专门用于离线、500W及以上的应用场景。这两款控制器基本相似，主要区别在于电流限制方法：ISL6752DBEVAL1Z采用逐脉冲电流限制，而ISL6754DBEVAL1Z则使用Intersil专利的平均电流限制技术。同时，它们都配备了二次侧参考电压误差放大器，并通过线性光耦实现了一次侧到二次侧的边界转换，还能提供控制信号来驱动同步整流器（SRs），并且有一个可选的控制电路用于二极管仿真。

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二、设计范围

本应用笔记主要涵盖了使用电流模式控制对电压误差放大器进行补偿的方法，同时也会探讨ISL6752和ISL6754的峰值电流限制偏置。假设读者对峰值电流模式控制有基本的了解，并且建议熟悉应用笔记AN1262 “Designing with the ISL6752, ISL6753 ZVS Full - bridge Controllers”。此外，还会涉及ISL6754平均电流限制误差放大器的补偿，以及ISL6754从电压调节过渡到电流调节时的正确操作实现要求。

三、基本设计考虑

3.1 误差放大器的使用

ISL6754DBEVAL1Z使用了两个误差放大器。当输出负载电流低于电流限制值时，一个误差放大器用于调节输出电压；当输出电流等于平均电流限制值时，另一个误差放大器用于调节输出电流。在本设计示例中，电流放大器内置在ISL6754中，而外部运算放大器用作电压放大器。两个误差放大器的输出通过一个或门二极管连接在一起。

当电压放大器控制输出时，其输出在PWM比较器的控制范围内（约0V至5V），此时电流放大器的输出处于正电源轨，因为它要求输出更多的电流。由于电流放大器的输出比电压放大器更正，或门二极管会阻止电流放大器控制输出，使其有效地处于开环运行状态。

当输出负载电流超过平均电流限制值时，电流放大器的输出会迅速下降到PWM比较器的控制范围内，以调节输出电流。此时，输出电压会下降，导致电压误差放大器的输出向正电源轨电压上升，电压误差放大器进入开环运行状态。由于只有一个放大器控制输出，因此可以独立地对每个放大器进行补偿。

3.2 电压控制到电流控制的过渡

设计者需要决定从电压控制到电流控制的过渡速度。通常，负载瞬态性能规格决定了电压误差放大器的补偿。对于电流放大器的补偿，也有其他考虑因素。如果希望允许瞬间超过电流限制值的高幅度负载瞬变，那么电流放大器应进行补偿，以缓慢响应负载瞬变。同时，为了将峰值负载瞬变电流限制在安全水平，应设置ISL6754的逐脉冲电流限制，以允许最高可接受的负载瞬变幅度。

在需要快速将输出电流限制到电流限制值的应用中，电流放大器可以进行补偿，以几乎瞬间将电流限制到该值，甚至可能使逐脉冲电流限制永远不会激活。

3.3 防止FB引脚出现过大负瞬变

在电压和电流调节之间的快速和慢速过渡过程中，必须确保ISL6754的FB引脚的最小输入电压不超过 - 0.3V。当电压放大器的输出向PWM比较器的控制范围下降时，VERR引脚的负dv/dt会导致电流流过电流误差放大器的补偿电容，从而在FB引脚产生负瞬变。一种简单的解决方案是在该引脚实现负电压钳位，同时，根据外部放大器对过大负瞬变的响应情况，可能也需要在其负输入引脚设置类似的钳位。

四、设计步骤

4.1 设置振荡器频率

通过一系列公式计算得出振荡器频率，其中涉及到振荡器定时电容、定时电容放电电阻等参数。最终计算出的频率为228.121KHz，但由于Q1对CT引脚的负载影响，ISL6752_54EVAL1Z的实际开关频率为200KHz。

4.2 计算逐脉冲电流限制的Rs值

首先计算每个电流倍增器电感的标称占空比和标称导通时间，然后计算输出电感电流的上升斜率、初级侧磁化电流的变化量，进而得出电流传感变压器输出端的峰值输出电流。最后，通过计算得出Rs的值。

4.3 斜率补偿

定义斜率补偿比，通过一系列公式计算得出相关参数，如输出电感电流的下降斜率、初级侧磁化电流的上升斜率等，最终求解出Rb的值，以实现最佳的斜率补偿。

4.4 平均电流限制（仅适用于ISL6754）

为了防止峰值电流限制干扰平均电流限制控制环路，将平均电流限制设置为较低的值。通过选择R25和R26的电阻分压器，使得当输出电流为平均电流限制值时，FB引脚的电压为0.6V。

4.5 电流模式功率级的小信号增益

通过一系列公式推导，得出电流模式功率级的小信号增益表达式。通过绘制图表可以看出，在不同的输出电压和输入电压条件下，输出电流随误差电压的变化情况，以及小信号增益的稳定性。

4.6 电压误差放大器的补偿

4.6.1 相关函数定义

定义了用于Bode分析的函数，如增益的分贝表示、相位的度数表示、单位增益频率和单位增益相位裕度等。

4.6.2 放大器开环增益分析

对LMV431和EL5111的开环增益进行分析，通过插入极点来重现数据手册中的增益/相位图，得出它们的开环传递函数。

4.6.3 放大器增益计算

计算电压放大器和EL5111补偿放大器的增益函数，并通过绘制增益/相位图进行验证。

4.6.4 总电压环路增益的Bode图

分析PWM电流模式功率级的小信号增益，考虑输出负载的影响。ESR对环路稳定性有显著影响，通过增加ESR可以提高相位裕度和单位增益频率。为了避免PWM开关频率不稳定，可能需要在U2放大器上添加极点来降低单位增益频率。

4.6.5 负载调节

由于PWM输出级增益的变化，最小负载和最大负载下的低频闭环增益差异较大，导致输出电压随负载增加而下降。通过比较使用LMV431和EL5111作为误差放大器时的负载调节情况，可以发现使用EL5111可以提高负载调节性能。

4.7 电流误差放大器的补偿

4.7.1 内部放大器开环增益

假设ISL6754内部放大器的最大增益为100dB，GBWP为5MHz，得出其开环传递函数。

4.7.2 电流误差放大器增益

计算电流误差放大器的增益函数，通过设置相关参数进行补偿，以实现电流调节闭环的稳定运行。

五、总结

通过对ISL6752DBEVAL1Z和ISL6754DBEVAL1Z控制卡的详细设计分析，我们了解了如何使用电流模式控制对电压和电流误差放大器进行补偿，以及如何设置电流限制和斜率补偿等关键参数。在实际设计中，需要根据具体的应用需求和性能要求，合理选择和调整这些参数，以确保电源系统的稳定性和可靠性。同时，由于实际电路中可能存在各种寄生效应，因此必须实际测量Bode响应，以确保环路补偿的充分性。你在实际设计中是否也遇到过类似的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。