ISL9238EVAL1Z评估板：开启高效电源管理设计之旅

在电子工程师的日常工作中，电源管理芯片的评估与应用是一项关键任务。今天，我们就来深入了解一下Renesas的ISL9238EVAL1Z评估板，它能帮助我们更好地评估ISL9238这款强大的电源管理芯片。

文件下载：ISL9238EVAL1Z.pdf

一、ISL9238芯片概述

ISL9238是一款采用Renesas先进(R3TM)技术的降压 - 升压窄输出电压直流（NVDC）充电器。它具有高光负载效率、快速瞬态响应以及无缝的DCM/CCM转换能力，适用于各种移动和工业应用。

1. 充电模式

在充电模式下，ISL9238可以从4V到20V的宽范围直流电源（如传统AC/DC充电器适配器、USB PD端口、旅行适配器等）获取输入功率，并安全地为串联配置的多达四个电池单元的电池组充电。

2. OTG功能

ISL9238具备OTG（On - the - Go）功能，适用于2和4电池单元的应用。当OTG功能启用时，芯片以反向降压模式运行，在USB端口提供5V电压。

3. 可编程参数

通过SMBus/I2C进行串行通信，ISL9238可以对关键参数进行编程，提供定制化解决方案。可编程参数包括适配器电流限制、充电器电流限制、系统电压设置和涓流充电电流限制等。

二、ISL9238EVAL1Z评估板特点

1. 性能展示

ISL9238EVAL1Z评估板能够展示ISL9238的各项性能。电池串联数量、开关频率和适配器电流限制充电功能的默认值可以通过从PROG引脚到GND的电阻进行编程，也可以通过SMBus进行设置。

2. 关键特性

• 适用多电池单元：适用于1、2、3、4节锂离子电池的降压 - 升压NVDC充电器。
• 充电结束选项：具备充电结束（EOC）选项。
• 系统功率监测：系统功率监测PSYS输出，符合IMVP - 8标准。
• 过热保护输出：PROCHOT#开漏输出，符合IMVP - 8标准。
• 涓流充电：允许对耗尽的电池进行涓流充电。
• 可选FET控制：可选ASGATE FET控制。
• 理想二极管控制：在Turbo模式下实现理想二极管控制。
• 多种工作模式：支持反向降压、升压和降压 - 升压操作。
• 两级适配器电流限制：提供两级适配器电流限制。
• 电池运输模式：具备电池运输模式选项。
• 通信兼容性：与SMBus和自动递增(I^{2}C)兼容。

3. 规格参数

• 输入电压范围：(V_{IN}=3.8V)到24V（无死区）
• 输出电压范围：(V_{OUT}=2.5V)到12.6V
• 最大充电电流：MAX I charge up to 6A
• 最大开关频率：(f_{SW}=1MHz)

三、评估所需设备

为了对ISL9238EVAL1Z评估板进行评估，我们需要以下设备：

• 0V到25V的电源，至少具备6A的源电流能力。
• 能够吸收高达6A电流的电子负载。
• 能够吸收和提供高达6A电流的电池模拟器。
• 数字万用表（DMMs）。
• 100MHz四通道示波器。

需要注意的是，我们可以使用一个能提供电流但不能吸收电流的电源与电子负载的恒流（CC）模式并联来模拟电池。例如，在充电时，将充电电流命令设置为低于CC模式电子负载的电流。

四、功能描述与测试步骤

1. 系统电压调节

• 连接电源：将电源设置为5V，禁用输出，将正极连接到J1，负极连接到J2。
• 设置跳线：确保跳线JP3、JP4和JP6短路，SW1和SW2切换到低位置。
• 开启电源并测量：开启电源，使用DMM测量TP5两端的VSYS电压，VSYS应读取为8.38V，电源上的电流表应读取小于100mA。然后将(V_{IN})从5V缓慢增加到15V，监测PH1和PH2，观察从升压模式到降压 - 升压模式，最终到降压模式的无缝切换。

2. 输入电流限制调节

• 设置参数：保持(V_{IN})在3.8V到24V之间的恒定值，将电池模拟器电压设置为7.8V，并将电池模拟器输出连接到电池引脚J5和J6。开启电池模拟器，此时电池没有充放电电流，这与高电压电平的BGATE信号一致。
• 增加负载：在VSYS和GND端子J3和J4上添加一个电气负载，开启负载并缓慢增加负载，输入电流相应增加，VSYS保持在8.38V稳定。当输入电流达到1.5A输入电流限制时，输出电压（VSYS）开始下降。

3. 充电模式

• 设置电源：将电源设置为3.8V到24V之间的恒定值，完成“系统电压调节”中的步骤1和2，确保输入电流未达到限制。
• 连接电池模拟器：将电池模拟器电压设置为7.8V，并将电池模拟器输出连接到电池引脚J5和J6。
• 连接USB：在USB端口连接USB电缆用于SMBus通信，LED 1、2和3全部亮起。
• 开启电源和模拟器：开启电源，LED 3熄灭。开启电池模拟器并打开ISL9238 GUI。
• 设置参数：在电池单元配置部分选择2节电池，点击“Write All”按钮，所有控制器寄存器值相应设置为默认值。系统电压为8.4V，此时电池没有充放电电流。
• 设置充电电流：将充电电流限制从0A更改为2A，点击“Write”按钮，电池进入2A电流充电配置。可以通过点击充电电流限制部分的“Read”按钮在GUI中监测充电电流值，并监测BGATE信号状态以确认电池处于充电模式。

4. 涓流充电模式

• 完成充电模式步骤：完成“充电模式”中的步骤1到6，无需更改。
• 降低电池模拟器电压：降低电池模拟器电压并监测电池充电电流。只要电池模拟器电压小于5.2V（低于系统最小电压），电池进入涓流充电模式，充电电流降至0.26A。涓流充电电流值可以通过SMBus控制寄存器进行更改。

5. OTG模式

• 设置电池模拟器：将电池模拟器电压设置为5.8V到15V之间的恒定值，禁用输出，连接电池引脚J5和J6。
• 连接电子负载：将电子负载连接到电源引脚J1和J2，禁用输出。
• 连接USB：在USB端口连接USB电缆用于SMBus通信，只有LED 1亮起。开启电池模拟器和电子负载，不添加任何负载。
• 打开GUI并设置参数：打开ISL9238 GUI，OTGVoltage是负载侧的电压值，OTGCurrent是负载侧的OTG输出电流限制。这些值可以在输出限制范围内根据需要进行设置。
• 启用OTG功能：选择Control0 & 1 Registers选项卡，在Control1寄存器中启用OTG功能，点击“Write”按钮。
• 调节负载：将评估板上的SW2切换到HI位置，负载电压调节为OTGVoltage值，LED 3亮起，表示OTG功能已启用。缓慢增加电子负载并监测负载电压，只要负载电流小于OTGCurrent限制值，负载电压将调节到设置值。

五、PCB布局指南

合理的PCB布局对于芯片的性能至关重要。ISL9238EVAL1Z评估板的PCB布局有以下一些关键指南：

• 接地处理：底部焊盘GND通过低阻抗路径连接到接地平面，使用至少五个过孔连接到PCB中的接地平面，以确保IC下方有足够的散热。
• 电流传感走线：对于电流传感引脚（如CSON、CSOP、CSIN、CSIP），运行两条足够宽的专用走线，平行于电池或适配器电流传感电阻的两端，并将差分模式和共模RC滤波组件放置在控制器附近。
• 信号引脚处理：对于VSYS、BOOT1、BOOT2等信号引脚，要注意将相关的滤波组件放置在控制器附近，避免敏感模拟信号走线交叉或靠近这些引脚。

六、典型性能

文档中还给出了ISL9238在不同工作模式下的典型性能曲线，包括升压模式、降压 - 升压模式、降压模式下的输出电压环路到适配器电流环路的过渡，以及OTG模式的相关性能。这些曲线可以帮助我们更好地了解芯片在不同负载和输入条件下的性能表现。

总之，ISL9238EVAL1Z评估板为我们提供了一个全面评估ISL9238芯片性能的平台。通过合理使用评估板和相关测试设备，我们可以深入了解芯片的各项功能和性能，为实际的电源管理设计提供有力的支持。各位工程师在实际应用中，不妨根据自己的需求，结合这些测试步骤和布局指南，充分发挥ISL9238的优势。你在使用类似评估板的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。