Renesas ISL9241EVAL1Z评估板：功能、使用与设计指南

在电子设计领域，一款优秀的评估板能为工程师提供直观且高效的测试与验证平台。Renesas的ISL9241EVAL1Z评估板就是这样一款值得关注的产品，下面我们就来深入了解它。

文件下载：ISL9241EVAL1Z.pdf

一、ISL9241芯片概述

ISL9241是一款可配置的降压 - 升压窄输出电压直流（NVDC）和混合功率降压 - 升压（HPBB）组合充电器。它采用了先进的Renesas (R3TM) 技术，具备高光负载效率、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。

在充电模式下，它能从4V至20V的宽范围直流电源获取输入功率，为最多4节串联的电池组安全充电。同时，它还支持2节和4节电池应用的OTG功能，开启OTG功能后，可在USB端口提供5V电压。通过SMBus/I2C进行串行通信，能对许多关键参数进行编程，如适配器电流限制、充电器电流限制、系统电压设置和涓流充电电流限制等。

二、ISL9241EVAL1Z评估板关键特性

1. 适用电池类型：适用于2、3和4节锂离子电池的降压 - 升压NVDC和HPBB充电器。
2. 充电控制：具备自主充电结束（EOC）选项，允许对耗尽的电池进行涓流充电。
3. 系统监测：提供系统功率监测PSYS输出和PROCHOT#开漏输出。
4. 工作模式：支持从电池进行反向降压、升压和降压 - 升压操作，具备两级适配器电流限制，还有电池运输模式选项。
5. 通信兼容性：与SMBus和自动递增 (I^{2} C) 兼容。

三、评估板规格

• 输入电压范围：(V_{IN}=3.8 V) 至 (24 V)（无死区）
• 输出电压范围：(V_{OUT }=3.9 V) 至 (18.304 V)
• 最大充电电流：可达6A

四、推荐设备

为了更好地使用ISL9241EVAL1Z评估板，需要准备以下设备：

1. 0V至25V电源，至少具备6A的源电流能力。
2. 能够吸收高达6A电流的电子负载。
3. 能够吸收和提供高达6A电流的电池模拟器。
4. 数字万用表（DMMs）。
5. 100MHz四通道示波器。

需要注意的是，可以使用一个只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。在充电时，将充电电流命令设置得低于CC模式电子负载的电流；放电时，电源就像电池一样放电。也可以使用电子负载的恒压（CV）模式来模拟电池接收充电器的充电电流，但该模式不能像电池一样提供电流。

五、软件安装

5.1 所需硬件

ISL9241EVAL1Z评估板和USB 2.0 A/B电缆。

5.2 所需软件

软件安装向导包包含三个必需组件：ISL9241 SMBus控制工具、National Instruments Runtime VISA引擎和USB接口模块驱动。

5.3 安装GUI

1. 将压缩文件解压到本地驱动器，而不是网络驱动器。
2. 运行autorun.exe，点击“Install ISL9241 SMBus Control Tool”。
3. 按照提示接受两个最终用户许可协议，完成软件安装。
4. 点击安装向导中的“Close Menu”。

5.4 安装USB驱动

如果之前未安装驱动或证书，需要进行以下操作：

1. 打开安装向导包，导航到USB - SMBus Driver，右键点击SMBus - USB - Win10.inf文件并选择“Install”。
2. 如果在Windows 10中安装失败，可能是由于数字签名或安全设置问题，可通过一系列操作绕过，如进入高级启动选项，选择禁用驱动程序签名强制，然后重新安装驱动。

六、GUI使用

6.1 设置USB连接

将USB电缆从计算机的USB端口连接到ISL9241EVAL1Z的连接器 (J_{10})。

6.2 启动GUI

通过开始菜单，选择“All Programs” -> “Renesas” -> “ISL9241 SMBus Control Tool”启动GUI。

6.3 故障排除

如果GUI顶部的USB接口状态显示红色X，说明计算机无法建立连接。可通过以下步骤排查：

1. 确保USB接口的驱动文件正确安装。
2. 检查从ISL9241EVAL1Z到计算机USB端口的USB电缆连接。
3. 尝试不同的连接顺序，如先插入ISL9241EVAL1Z或先启动GUI。 若问题仍然存在，可能是USB驱动未正确安装，需参考“Installing the USB Driver”部分进行驱动安装。

七、功能描述

7.1 快速启动指南

可以使用标准的1% 0603电阻 (R_{23}) 从PROG引脚连接到GND来配置电池串联数量和适配器电流限制的默认值。设置串联电池的默认数量后，MaxSystemVoltage和MinSystemVoltage的默认值也会相应设置，这些值也可以通过SMBus控制寄存器进行更改。评估板上的三个LED分别指示ACOK、PROCHOT和OTGPG/CMOUT状态。

7.2 系统电压调节

1. 将电源设置为5V，在输出禁用的情况下，将正极连接到J1，负极连接到J2。
2. 确保跳线JP3、JP4和JP6短路，SW1和SW2切换到低位置。
3. 打开电源，使用DMM测量VSYS，VSYS应显示8.38V，电源上的电流表读数应小于100mA。缓慢将VIN从5V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。

7.3 输入电流限制调节

1. 将VIN保持在3.8V至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线J5和J6。
2. 打开电池模拟器，此时电池没有充放电电流，BGATE FET处于关闭状态。
3. 在VSYS和GND端子 (J{3}) 和 (J{4}) 上添加电负载，打开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0.476A输入电流限制时，输出电压（VSYS）开始下降。如果VSYS电压比电池电压低150mV，BGATE FET在低电压水平下开启，电池为负载提供电流。

7.4 充电模式配置

1. 将电源设置在3.8V至24V之间的恒定值，完成“Regulating System Voltage”中的步骤1和2，确保输入电流不超过限制。
2. 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线 (J{5}) 和 (J{6})。
3. 连接SMBus的USB端口，LED1、2和3全部亮起。
4. 打开电源，LED3熄灭。打开电池模拟器并打开Renesas ISL9241 GUI。
5. 在“No of Battery Cell”部分选择2 Cell，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，电池没有充放电电流。将最小系统电压（MinSysVoltage）设置为非零值，将充电电流限制（ChargeCurrentLimit）从0A更改为2A并点击“Write”，电池进入2A电流充电操作。可以通过在ChargeCurrentLimit列中点击“Read”来监测充电电流值，监测BGATE信号状态以确认电池处于充电模式。
6. 要开启充电（涓流和快速/正常），将MinSysVoltage寄存器和ChargeCurrentLimit寄存器设置为非零值。

7.5 涓流充电模式配置

完成充电模式配置的步骤1至5，将MinSysVoltage寄存器和ChargeCurrentLimit寄存器设置为非零值。降低电池模拟器电压并监测电池充电电流，当电池模拟器电压小于5.2V（低于MinSysVoltage）时，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。

7.6 OTG模式配置

1. 将电池模拟器电压设置在5.8V至15V之间的恒定值，在输出禁用的情况下连接电池引线 (J{5}) 和 (J{6})。
2. 在电源引线 (J{1}) 和 (J{2}) 上连接电负载，输出禁用。
3. 连接SMBus的USB端口，只有LED1亮起。打开电池模拟器和电负载，不添加任何负载。
4. 打开ISL9241 GUI，OTGVoltage是负载侧的电压值，OTGCurrent是负载侧的OTG输出电流限制，可以在输出限制范围内根据需要设置这些值。
5. 选择“Control0 & 1 Registers”选项卡。
6. 在“Control1 Register”列中，选择“1: Enable in OTG Function”以启用OTG，然后点击“Write”。
7. 将评估板上的 (SW_{2}) 切换到HI位置，负载电压被调节为步骤4中设置的OTGVoltage值，LED3亮起，表明OTG功能已启用。
8. 缓慢增加电负载并监测负载电压，如果负载电流小于OTGCurrent限制值，负载电压将被调节到设置值。

7.7 旁路模式配置

可参考AN1994了解如何在不同的NVDC和旁路模式之间转换，以及如何在每种模式下启用充电和允许电池在旁路模式下补充适配器（反向涡轮升压）。

7.8 补充模式（Intel (V_{MIN }) 主动保护）

同样参考AN1994了解如何进入补充模式（Intel (V_{MIN }) 主动保护）。

八、PCB布局指南

8.1 评估板布局

文档提供了ISL9241EVAL1Z评估板的顶部、底部视图以及原理图，还列出了详细的物料清单（BOM），包括各种电容、电阻、电感、晶体管等元件的规格和制造商信息。

8.2 布局准则

针对ISL9241芯片的各个引脚，给出了详细的布局指南，如底部焊盘GND要通过低阻抗路径连接到接地平面，推荐使用至少五个过孔连接到PCB中的接地平面以确保充分散热；对于电流感应引脚，要从电池电流感应电阻的两端引出两条足够宽的专用走线并尽量靠近以减小环路面积等。

九、典型性能曲线

文档展示了多种模式下的典型性能曲线，如升压模式、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，充电电流环路到适配器电流环路的过渡，OTG模式的启用和瞬态响应，旁路（HPBB）模式下的反向涡轮升压等情况，这些曲线有助于工程师直观地了解评估板在不同工作模式下的性能表现。

十、总结

Renesas的ISL9241EVAL1Z评估板为工程师提供了一个全面的平台，用于测试和验证ISL9241芯片的各项功能。通过详细的软件安装步骤、GUI使用说明、功能配置方法以及PCB布局指南，工程师可以快速上手并进行相关的设计和测试工作。同时，典型性能曲线也能为设计优化提供参考。大家在使用过程中是否遇到过类似评估板的一些特殊问题呢？不妨在评论区分享一下。