ISL6551：零電壓開(kāi)關(guān)全橋PWM控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用剖析

在電子工程師的日常工作中，電源管理芯片的選擇和使用是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天就來(lái)深入探討一下Intersil公司的ISL6551零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）全橋PWM控制器，它在隔離電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中能發(fā)揮怎樣的作用呢？

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一、ISL6551概述

ISL6551 是專門為隔離電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的ZVS全橋PWM控制器。它采用了獨(dú)特的固定頻率ZVS電流模式控制算法，不僅能實(shí)現(xiàn)高效率的轉(zhuǎn)換，還能有效降低電磁干擾（EMI）。其兩個(gè)下驅(qū)動(dòng)采用后沿PWM控制并帶有諧振延遲，而上驅(qū)動(dòng)則以固定50%的占空比驅(qū)動(dòng)。

這個(gè)芯片集成了眾多實(shí)用的功能，并封裝在28引腳的SOIC封裝中，為電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)完整而復(fù)雜的解決方案。它可以用于全橋和推挽轉(zhuǎn)換器，適用于離線電源、電信/數(shù)據(jù)通信電源以及高端微處理器和服務(wù)器電源等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

二、關(guān)鍵特性解析

（一）控制特性

1. 可編程軟啟動(dòng)：通過(guò)CSS引腳外接電容，利用內(nèi)部電流源對(duì)電容充電，將充電電壓輸入誤差放大器的控制引腳，從而控制電源的輸出電壓和電流，實(shí)現(xiàn)受控啟動(dòng)。軟啟動(dòng)時(shí)間和輸出上升時(shí)間可以通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算，如 (t{ss}=frac{V{clamp} × C{ss}}{I{ss}}) （ (t{ss}) 為軟啟動(dòng)時(shí)間， (V{clamp}) 為鉗位電壓， (C{ss}) 為外接電容， (I{ss}) 為充電電流）。
2. 可編程諧振延遲：通過(guò)RRESDLY引腳外接電阻來(lái)設(shè)置諧振延遲，范圍為50ns - 500ns。諧振延遲可以確保在相應(yīng)的上FET關(guān)斷后，下FET有合適的開(kāi)通時(shí)間，避免上下FET同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生直通電流，計(jì)算公式為 (RESDLY = 4.01 × R{-}RESDLY / kΩ + 13 (ns)) 。
3. 可編程前沿消隱：在電流模式控制中，橋路中的寄生元件會(huì)產(chǎn)生尖峰信號(hào)，可能導(dǎo)致PWM比較器誤觸發(fā)。通過(guò)RLEB引腳外接電阻可以設(shè)置前沿消隱時(shí)間，范圍為50ns - 300ns，有效避免誤觸發(fā)，計(jì)算公式為 (t{LEB}=2 × R _LEB / kΩ + 15( ns)) 。
4. 可調(diào)斜坡補(bǔ)償：通過(guò)RRA引腳調(diào)整斜坡電壓，為PWM邏輯提供合適的信號(hào)，確保斜坡電壓始終高于OAGS（地感應(yīng)運(yùn)算放大器）的最小電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制。斜坡電壓的計(jì)算公式為 (V{ramp}= BGREF × dt / (R _RA × 500E - 12)(V)) ，其中 (dt = Duty Cycle / f{SW}-t{LEB}) 。
5. 同步整流驅(qū)動(dòng)信號(hào)：SYNC1和SYNC2引腳提供用于實(shí)現(xiàn)同步整流的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，能在高輸出電流、超高效率應(yīng)用中發(fā)揮作用。它們可驅(qū)動(dòng)最大20pF的容性負(fù)載，在1MHz時(shí)鐘頻率（500kHz開(kāi)關(guān)頻率）下工作。
6. 電流共享支持：通過(guò)SHARE引腳和CS_COMP引腳實(shí)現(xiàn)電流共享，可支持多達(dá)10個(gè)單元并聯(lián)。主單元以最高參考電壓工作，從單元通過(guò)源電阻調(diào)整參考電壓以匹配主單元，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的共享。

（二）保護(hù)特性

1. 可調(diào)逐周期峰值電流限制：通過(guò)PKILIM引腳設(shè)置過(guò)流限制，當(dāng)該引腳電壓超過(guò)BGREF電壓時(shí)，門脈沖終止并保持低電平，直到下一個(gè)時(shí)鐘周期。通常將峰值電流關(guān)斷閾值設(shè)置得略高于正常的逐周期PWM峰值電流限制（Vclamp），一般在短路情況下才會(huì)觸發(fā)。
2. 快速短路保護(hù)（打嗝模式）：當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出過(guò)載時(shí)，PKILIM引腳電壓高于BGREF電壓，軟啟動(dòng)電容快速放電，所有驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉。之后軟啟動(dòng)電容緩慢充電，如果再次過(guò)載則又快速放電，只要過(guò)載條件持續(xù)，就會(huì)一直處于打嗝模式，直到過(guò)載消除，轉(zhuǎn)換器恢復(fù)正常工作。
3. 鎖存關(guān)斷輸入：LATSD引腳為鎖存關(guān)斷輸入，當(dāng)該引腳電壓大于3V時(shí)，IC被鎖存關(guān)閉，進(jìn)入低功耗模式，只有在完全移除VDD引腳的電源后才能復(fù)位，ON/OFF引腳無(wú)法復(fù)位該鎖存。此功能可用于在輸出過(guò)壓或其他不良條件下鎖斷電源。
4. 非鎖存使能輸入：ON/OFF引腳為非鎖存使能輸入，高電平標(biāo)準(zhǔn)TTL輸入（對(duì)VDD電平也安全）信號(hào)可使控制器開(kāi)啟，低電平則關(guān)閉控制器并終止所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)，包括SYNC輸出，同時(shí)軟啟動(dòng)復(fù)位。該引腳可在監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換器輸入電壓和熱狀態(tài)時(shí)接收使能命令。
5. VDD欠壓鎖定（UVLO）：UVLO確保VDD電壓高于開(kāi)啟閾值 (VDD{ON}) 時(shí)IC有序啟動(dòng)，在鎖定期間所有驅(qū)動(dòng)器保持低電平，并且?guī)в袦箅妷?(VDD{HYS}) ，防止上電時(shí)多次啟動(dòng)/關(guān)斷。該功能不適用于VDD1和VDD2。

三、技術(shù)參數(shù)分析

（一）絕對(duì)最大額定值

ISL6551的電源電壓VDD、VDDP1、VDDP2范圍為 - 0.3V至16V；使能輸入（ON/OFF、LATSD）的電壓不能超過(guò)VDD；電源良好灌電流（IDCOK）最大為5mA；ESD人體模型評(píng)級(jí)為3kV，機(jī)器模型評(píng)級(jí)為250V。在實(shí)際使用中，一定要注意不要讓芯片工作在或接近這些最大額定值，否則可能會(huì)影響產(chǎn)品的可靠性并導(dǎo)致不在保修范圍內(nèi)的故障。

（二）推薦工作條件

環(huán)境溫度范圍根據(jù)不同型號(hào)有所不同，如ISL6551IB為0°C至 + 85°C，ISL6551AB為 - 40°C至 + 105°C；VDD電源電壓范圍為10.8V至13.2V，VDDP1和VDDP2電源電壓小于13.2V；最大工作結(jié)溫為 + 125°C。

（三）電氣規(guī)格

不同參數(shù)在特定條件下有相應(yīng)的電氣性能要求，例如：

• 電源參數(shù)：VDD電源電壓典型值為12V，ISL6551IB和ISL6551AB的偏置電流有所不同，在VDD = 12V時(shí)，ISL6551IB的偏置電流典型值為13mA，ISL6551AB為3mA。
• 時(shí)鐘發(fā)生器：頻率范圍為100kHz至1000kHz，死區(qū)時(shí)間脈沖寬度范圍為50ns至1000ns。
• 帶隙參考：帶隙參考電壓在不同型號(hào)下有一定的公差范圍，如ISL6551IB在 (V_{D D}=12 V) ，399kΩ上拉， (0.1 mu F) 電容且經(jīng)過(guò)修整后，范圍為1.250V至1.280V。

四、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

（一）電源系統(tǒng)架構(gòu)

ISL6551在電源系統(tǒng)中可以作為全橋或推挽PWM控制器，結(jié)合其他外部元件如變壓器、脈沖變壓器、電容、電感和肖特基或同步整流器等，構(gòu)成完整的電源解決方案。推薦采用“二次側(cè)控制”以充分利用其集成特性。

（二）各部分電路分析

1. 輸入濾波：一般需要輸入電容來(lái)吸收功率開(kāi)關(guān)（FET）的脈動(dòng)電流。為了獲得良好的EMI性能，可以使用輸入L - C濾波器來(lái)降低反射回輸入線的紋波電流，過(guò)濾差模噪聲，其工作頻率為開(kāi)關(guān)頻率的兩倍，即時(shí)鐘頻率（Fclock）。在某些情況下，可能還需要額外的共模扼流圈來(lái)過(guò)濾共模噪聲。
2. 電流檢測(cè)：有兩種檢測(cè)方法，一種是檢測(cè)流經(jīng)兩個(gè)下初級(jí)FET的電流，另一種是檢測(cè)流經(jīng)兩個(gè)上初級(jí)FET的電流之和。在初級(jí)側(cè)控制系統(tǒng)中，還可以使用低阻抗功率電阻來(lái)檢測(cè)電流。無(wú)論采用哪種方法，都要確保檢測(cè)點(diǎn)的連接盡可能靠近相關(guān)元件，以保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
3. 初級(jí)FET：全橋轉(zhuǎn)換器需要四個(gè)MOSFET，其漏 - 源極電壓額定值為 (V{IN}) ；推挽轉(zhuǎn)換器只需要兩個(gè)下MOSFET，兩個(gè)上驅(qū)動(dòng)不使用，MOSFET的 (v{DS}) 為 (2 × V_{I N}) 。
4. 反饋電路：在二次側(cè)控制系統(tǒng)中，只需要幾個(gè)電阻和電容就能完成反饋回路；而在初級(jí)側(cè)控制系統(tǒng)中，需要使用光耦進(jìn)行隔離，但其帶寬會(huì)受到光耦的限制。
5. 整流器：對(duì)于低輸出電壓、高輸出電流和/或高效率應(yīng)用，可以使用同步FET；對(duì)于較低電流應(yīng)用，則使用肖特基二極管。整流器的連接方式有電流倍增整流器、常規(guī)整流器和自驅(qū)動(dòng)整流器等多種，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇。
6. 主變壓器：不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)主變壓器的要求不同，如全橋和電流倍增器拓?fù)洳恍枰渭?jí)中心抽頭，次級(jí)繞組承載一半的負(fù)載；常規(guī)全橋拓?fù)湫枰渭?jí)中心抽頭，次級(jí)繞組承載全部負(fù)載等。
7. 輸出濾波：電流倍增濾波器需要兩個(gè)電感，但可以集成并耦合到一個(gè)磁芯中，每個(gè)電感在開(kāi)關(guān)頻率下承載一半的負(fù)載；常規(guī)濾波器只需要一個(gè)電感，該電感在兩倍開(kāi)關(guān)頻率下承載全部負(fù)載。

五、總結(jié)與思考

ISL6551 作為一款功能強(qiáng)大的ZVS全橋PWM控制器，為電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了豐富的功能和靈活的配置選項(xiàng)。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理設(shè)置各個(gè)參數(shù)，選擇合適的外部元件和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠性的電源設(shè)計(jì)。

大家在使用ISL6551的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)什么獨(dú)特的問(wèn)題或者有什么創(chuàng)新的應(yīng)用思路呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。