【应用】并行支持多达8个器件的单相数字PWM降压控制器提高可扩展POL设计效率

时间： 2018-08-09 来源：Intersil（Renesas收购）

摘要

可扩展的负载点（POL）提供了设计灵活性，可满足现代电子负载的各种负载电流要求。结合数字电源管理带来的好处，可扩展的数字POL可以提供灵活且经济高效的解决方案。本文概述了瑞萨最新数字PWM控制器在可扩展POL设计中的优势。

引言

负载点（POL）稳压器是当今通信和计算基础设施应用电源系统的重要组成部分。POL在提供动态负载的同时，以高精度来调节直流母线电压以降低输出电压。目前，各种应用对POL的需求正在不断增加，以便高效率和高可靠地为高耗电的FPGA、ASIC、SoC和微处理器提供高电流/低电压。

FPGA和SoC供应商通常会提供各种等级的产品来满足最终应用的要求。结果，电流要求的范围可以从几十安培到几百安培。可扩展的POL方法提供了灵活性和更短的设计周期。例如，如果需要30A电流，电源设计人员可以设计单相POL解决方案。如果将电流要求提高到60A，则通过并联两个单相POL提供简便的设计。然而，并联POL需要电流共享机制以确保正确的电路操作。

数字电源管理控制器为系统提供实时智能和灵活性。它还可以通过标准化协议（如PMBus）促进与其他数字处理IC的通信，从而提高系统性能。此外，数字电源管理还可实现广泛的电源故障检测、诊断和恢复功能。控制器可以检测动力传动故障，将问题报告给主处理器，并采取纠正措施。数字控制器带来的所有这些优势可实现快速设计周期和轻松的调试。

本文将讨论可扩展POL设计的一般方法，并介绍瑞萨的ISL68300和ISL68301数字PWM降压控制器，重点介绍它们对可扩展POL设计的优势。

可扩展数字PWM控制器

ISL68300和ISL68301是单相数字PWM降压控制器，可为一到八相提供可扩展的解决方案，以满足多种电源要求。 ISL68301是一款PWM降压控制器，可用于智能功率级模块（即ISL99227B）或DrMOS（即ISL99140、ISL99135B和ISL99125B）。 ISL68300也是一款PWM降压控制器，集成了栅极驱动器，可与分立的N沟道MOSFET配合使用。两者都是符合PMBus v1.3标准的全数字电源管理控制器。

图1 ISL68300典型应用电路

图2 带有SPS（ISL99227B）的ISL68301典型应用电路

图3 带有DrMOS（ISL99140）的ISL68301典型应用电路

ISL68300和ISL68301均采用瑞萨的ChargeMode™控制架构，提供固有的稳定控制环路，无需外部补偿。ChargeMode控制使用多速率采样技术，对每个开关周期内的输出电压进行采样并多次计算调制信号。该技术显著减少了延迟，因此可支持非常高的带宽操作。通常，在负载导通时，仅需要一个开关周期便可将电感器电流充电至稳态电平。

为实现可扩展性，ISL68300和ISL68301提供专用的均流（ISHARE）引脚，用于负载电流共享。集成的均流控制功能使得POL的并联操作能够向负载提供高电流。因此，负载电流均匀地分布在POL之间，从而降低了热应力并提高了可靠性。根据MOSFET的不同选择，每相可提供高达40A的输出电流。设计人员可根据需要生成的电压数和输出电流水平来确定所需的ISL68300和ISL68301控制器的数量。

电流共享

电流共享技术对于并联POL至关重要，以确保负载电流在POL之间均匀分配。当负载电流和功耗在POL之间均匀分布时，电气元件上的应力会降低，从而延长电源的使用寿命。

在POL的并联操作中可以实现几种均流方案。基本的均流技术可以分为两类：

1）下垂均流方法

2）有源均流方法

下垂方法的主要缺点是较弱的负载调节能力，这使得对于需要严格输出电压调节的应用来说是不切实际的。另一方面，除了稳态性能之外，有源均流方法还提供了优异的动态性能。有源电流共享技术通常利用每个模块之间至少一个连接（电流共享总线）来提供当前信息。

ISL68300和ISL68301数字PWM控制器采用专有的有源电流共享技术，可并行支持多达8个器件，并提高成本效率，满足各种特定设计需求。在这些设备中实现的电流共享方法基于主从技术，主设备通过ISHARE总线提供其当前信息，从设备使用来自主设备的当前信息作为参考，并调节它们的电流以与参考电流匹配。

图4演示了并行操作中ISL68300和ISL68301的连接。电流共享（ISHARE）总线提供要在设备之间通信的当前信息。SYNC引脚允许所有器件以相同的开关频率工作。默认情况下，根据轨道中的设备数量设置相位交错。DDC总线提供跨设备的通信，例如故障传播。

图4 ISL68300/ISL68301并行操作的简化框图

图5和图6显示了转换器的电感器电流和输出电压波形，其中8个ISL68300并联运行。在负载瞬变期间，ISL68300可以在共享负载电流的同时保持电感电流平衡。

图5 在负载应用期间实现电流共享

图6 在负载释放期间实现电流共享

关键特性：

·真正的差分遥测功能：

差分遥测有助于补偿由于正负轨上的负载引起的下垂，从而保持较高的系统精度。

·具有可编程斜坡时间和延迟时间的软启动/停止：

软启动和软停止的延迟和斜坡时间可以单独设置。此功能可实现灵活的上电和断电排序。此外，ISL68300和ISL68301还支持预偏置启动。

·电压跟踪：

ISL68300和ISL68301支持一致和成比例跟踪模式，可以正确启动和关闭敏感的多轨系统。

·外部温度传感：

这些器件可与外部NPN晶体管一起用于外部温度检测。外部温度信息可用于遥测数据和故障操作，ISL68301还提供通过TMON引脚检测SPS温度的选项。

·全面的保护和监控功能：

ISL68300和ISL68301支持各种保护功能，包括电源输入UV/OV，两级输出电流UC/OC（平均值和峰值），输出电压UV/OV和温度UT/OT。每个保护都有故障限制和减少限制，可以单独设置。用户可以通过PMBus命令轻松设置相应的故障限值，还可以通过PMBus命令监视各种系统参数和状态。

·可配置的故障响应：

用户可以独立地为每个故障源选择故障响应、锁存或重试。对于重试故障响应，还可以通过PMBus命令对重试时间间隔进行编程。

结论：

为满足可扩展POL设计中所需的各种要求，实现宽范围的负载电流，瑞萨最新的数字控制器ISL68300和ISL68301提供了众多优势，例如ChargeMode控制，可实现固有稳定的控制环路和快速瞬态响应，专用的电流共享总线，用于在电流共享配置中并联多达8个器件，以及支持各种负载电流的可扩展性。 ISL68300和ISL68301可以为各种应用设计提供经济高效、简单的设计流程。

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