深入解析ISL62773A：AMD Fusion移動CPU的多相PWM調(diào)節(jié)器

在電子工程領(lǐng)域，為AMD Fusion?移動CPU提供穩(wěn)定、高效的電源管理是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。ISL62773A多相PWM調(diào)節(jié)器的出現(xiàn)，為解決這一問題提供了出色的解決方案。今天，我們就來深入探討一下這款調(diào)節(jié)器的特性、工作原理以及應(yīng)用設(shè)計要點。

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一、ISL62773A概述

ISL62773A完全符合AMD Fusion? SVI 2.0標(biāo)準(zhǔn)，為微處理器和圖形處理器核心電源提供了完整的解決方案。它支持兩個電壓調(diào)節(jié)器（VR），擁有三個集成柵極驅(qū)動器和兩個可選的外部驅(qū)動器，具有極高的靈活性。Core VR可配置為3相、2相或1相運行，而Northbridge VR支持2相或1相配置。兩個VR共享一個串行控制總線與AMD CPU通信，相比雙芯片解決方案，成本更低，占用的電路板面積更小。

特性亮點

1. 支持AMD SVI 2.0：串行VID時鐘頻率范圍為100kHz至25MHz，能與AMD CPU實現(xiàn)高效通信。
2. 雙輸出控制器：集成了兩個專用核心驅(qū)動器和一個可編程驅(qū)動器，可用于Core或Northbridge。
3. 精確的電壓調(diào)節(jié)：系統(tǒng)在過溫情況下的精度可達(dá)0.5%，輸出電壓范圍為0.5V至1.55V，步長為6.25mV，且增強了負(fù)載線精度。
4. 多種電流傳感方法：支持無損電感DCR電流傳感和精密電阻電流傳感。
5. 可編程相數(shù)：Core輸出可配置為1相、2相或3相，Northbridge輸出可配置為1相或2相。
6. 自適應(yīng)體二極管導(dǎo)通時間減少：提高了輕載效率。
7. 出色的抗噪性和瞬態(tài)響應(yīng)：確保在各種負(fù)載條件下都能穩(wěn)定工作。
8. 輸出電流和電壓遙測：方便實時監(jiān)測電源狀態(tài)。
9. 差分遠(yuǎn)程電壓傳感：提高電壓調(diào)節(jié)的精度。
10. 全負(fù)載范圍高效：降低功耗，延長設(shè)備續(xù)航。
11. 可編程壓擺率：可根據(jù)實際需求進行調(diào)整。
12. 可編程VID偏移和下垂：優(yōu)化輸出電壓。
13. 可編程開關(guān)頻率：適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。
14. 出色的相電流平衡：保證各相電流均勻分配。
15. 多重保護功能：包括過流保護（OCP/WOC）、過壓保護（OVP）、電源良好指示（PGOOD）和熱監(jiān)測。
16. 小尺寸封裝：采用48引腳6x6 QFN封裝，無鉛（符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)）。

二、工作原理

多相R3?調(diào)制器

ISL62773A采用Intersil專利的R3?（Robust Ripple Regulator）調(diào)制器，結(jié)合了固定頻率PWM和滯回PWM的優(yōu)點，同時消除了它們的許多缺點。在芯片內(nèi)部，調(diào)制器使用主時鐘電路為從電路生成時鐘信號。通過一個電流源對紋波電容(C{rm})進行放電，(C{rm})的電壓(VCRM)是一個在VW和COMP電壓之間變化的鋸齒波。當(dāng)(VCRM)達(dá)到COMP時，它會重置為VW并生成一個單觸發(fā)主時鐘信號。相位序列器將主時鐘信號分配到各個從電路，根據(jù)不同的相數(shù)配置，時鐘信號的相位會相應(yīng)調(diào)整。

二極管仿真和周期拉伸

ISL62773A可以在二極管仿真（DE）模式下工作，以提高輕載效率。在DE模式下，低側(cè)MOSFET在電流從源極流向漏極時導(dǎo)通，不允許反向電流，從而模擬二極管的行為。當(dāng)負(fù)載電流較輕時，電感電流在下次相節(jié)點脈沖之前達(dá)到并保持為零，調(diào)節(jié)器進入不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）；當(dāng)負(fù)載電流較重時，電感電流不會達(dá)到0A，調(diào)節(jié)器處于連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。通過對紋波電容電壓(VCRS)的鉗位，自然地拉伸開關(guān)周期，減少開關(guān)頻率，提高輕載效率。

通道配置

可以通過將不需要的通道的ISENx引腳連接到+5V來禁用VR的各個PWM通道。例如，將Core VR的ISEN3和Northbridge VR的ISEN2連接到+5V，可以將控制器配置為2 + 1模式，禁用Core VR的通道3和Northbridge VR的通道2。

上電復(fù)位和啟動時序

在控制器獲得足夠的偏置以保證正常運行之前，ISL62773A需要一個+5V輸入電源連接到VDD和VDDP，且超過VDD上升上電復(fù)位（POR）閾值。當(dāng)達(dá)到或超過該閾值后，一旦ENABLE引腳變?yōu)楦唠娖?，ISL62773A就會檢查SVI輸入的狀態(tài)。啟動時，控制器會在典型的8ms延遲后開始軟啟動Core和Northbridge輸出，讀取SVC和SVD引腳的狀態(tài)以確定預(yù)PWROK Metal VID，并通過編程電阻配置內(nèi)部驅(qū)動器、開關(guān)頻率、壓擺率和輸出偏移。

電壓調(diào)節(jié)和負(fù)載線實現(xiàn)

軟啟動序列完成后，ISL62773A將輸出電壓調(diào)節(jié)到預(yù)PWROK Metal VID編程的值。它可以通過電感的固有直流電阻（DCR）或與電感串聯(lián)的電阻來感測電感電流，將電容(C{n})的電壓轉(zhuǎn)換為內(nèi)部電流源(Isum)，用于負(fù)載線實現(xiàn)、電流監(jiān)測和過流保護。通過驅(qū)動一個與(Isum)成比例的電流源(Idroop)，在電阻(R{droop})上產(chǎn)生電壓降，實現(xiàn)負(fù)載線。

差分傳感

采用差分電壓傳感方案，通過一個單位增益差分放大器感測處理器芯片的遠(yuǎn)程電壓傳感信號(VCC{SENSE})和(VSS{SENSE})，并將其與DAC輸出相加，誤差放大器調(diào)節(jié)輸入電壓以實現(xiàn)負(fù)載線。為了在沒有處理器安裝的情況下提供電壓反饋，建議添加“捕獲”電阻。

相電流平衡

ISL62773A通過監(jiān)測ISEN1、ISEN2和ISEN3引腳的電壓來監(jiān)測各相的平均電流。通過低通濾波器對相節(jié)點電壓進行平均，并將其呈現(xiàn)給相應(yīng)的ISEN引腳。控制器會調(diào)整相脈沖寬度，使各相的ISEN引腳電壓相等，從而實現(xiàn)相電流平衡。在某些情況下，采用差分傳感電流平衡電路可以減少不對稱布局對電流平衡的影響。

三、模式操作

Core VR模式

Core VR可以配置為3相、2相或1相運行。通過ISEN3和ISEN2引腳的狀態(tài)以及SVI 2接口的PSL0_L和PSL1_L命令進行編程。不同的配置和狀態(tài)組合決定了Core VR的運行模式，如3相CCM、2相CCM、1相DE等。

Northbridge VR模式

Northbridge VR可以配置為2相或1相運行，通過ISEN2_NB引腳的狀態(tài)以及SVI 2命令的PSI0_L和PSI1_L位進行編程。同樣，不同的配置和狀態(tài)組合決定了Northbridge VR的運行模式。

四、SVI 2.0接口

預(yù)PWROK Metal VID

典型的主板啟動時，控制器會解碼SVC和SVD輸入，確定預(yù)PWROK Metal VID設(shè)置。一旦ENABLE輸入超過上升閾值，ISL62773A會解碼并鎖定該值到板載保持寄存器。內(nèi)部DAC電路將Core和Northbridge VR逐漸斜坡到解碼后的預(yù)PWROK Metal VID輸出電平，軟啟動結(jié)束后，PGOOD和PGOOD_NB輸出變?yōu)楦唠娖?，表示輸出電壓在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

SVI接口激活

當(dāng)Core和Northbridge VR成功軟啟動且PGOOD和PGOOD_NB信號變?yōu)楦唠娖胶?，PWROK可以被外部斷言。此時，控制器開始積極監(jiān)測SVI接口，接收VID更改命令并相應(yīng)地調(diào)整輸出電壓。

VID-on-the-Fly過渡

當(dāng)PWROK為高電平時，ISL62773A開始監(jiān)測SVC和SVD引腳的SVI指令。對于高于當(dāng)前VID水平的VID代碼，控制器以固定的壓擺率將命令的VR輸出逐步調(diào)整到新的VID目標(biāo)；對于低于當(dāng)前VID水平的VID代碼，根據(jù)電源狀態(tài)位的狀態(tài)采取不同的調(diào)整方式。

SVI數(shù)據(jù)通信協(xié)議

SVI WIRE協(xié)議基于(I^{2}C)總線概念，通過串行時鐘（SVC）和串行數(shù)據(jù)（SVD）兩條線在AMD處理器（主設(shè)備）和VR控制器（從設(shè)備）之間傳輸信息。主設(shè)備發(fā)起和終止SVI事務(wù)，并驅(qū)動時鐘信號。

五、保護特性

過流保護

IMON電壓用于確定負(fù)載電流，過流保護（OCP）電路監(jiān)測IMON電壓，當(dāng)IMON引腳電壓達(dá)到1.5V的過流閾值時，觸發(fā)OCP事件。控制器會在2μs內(nèi)將VR_HOT_L置低，通知AMD CPU降低負(fù)載電流。故障定時器開始計數(shù)，7.5μs至11μs后標(biāo)記OCP故障，控制器將活動通道三態(tài)化并進入關(guān)機狀態(tài)。此外，當(dāng)IMON電流達(dá)到15μA時，觸發(fā)Way-Overcurrent（WOC）保護，控制器立即進入關(guān)機狀態(tài)。

電流平衡保護

如果ISENx引腳電壓差在1ms內(nèi)大于9mV，控制器將宣布故障并鎖存關(guān)閉。

欠壓保護

當(dāng)VSEN電壓低于輸出電壓VID值加上任何編程偏移量325mV時，控制器宣布欠壓故障，將PGOOD置低并將功率MOSFET三態(tài)化。

過壓保護

當(dāng)VSEN電壓超過輸出電壓VID值加上任何編程偏移量325mV時，控制器宣布過壓故障，將PGOOD置低并打開低側(cè)功率MOSFET，直到輸出電壓降至VID設(shè)定值以下，然后將下柵極三態(tài)化。

熱監(jiān)測

ISL62773A具有兩個熱監(jiān)測器，使用包含NTC熱敏電阻的外部電阻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測主板溫度?？刂破鲝腘TC引腳驅(qū)動30μA電流，并監(jiān)測引腳電壓。當(dāng)電壓降至640mV的警告閾值或以下時，控制器將VR_HOT_L置低，通知AMD CPU降低負(fù)載電流。當(dāng)電壓繼續(xù)降至580mV的關(guān)機閾值或以下時，控制器進入關(guān)機狀態(tài)，觸發(fā)熱故障。

六、關(guān)鍵組件選擇

電感DCR電流傳感網(wǎng)絡(luò)

對于3相解決方案，電感電流通過DCR產(chǎn)生電壓降，通過(R{sum})和(R{0})電阻準(zhǔn)確感測電感電流，并將總電流信息饋送到NTC網(wǎng)絡(luò)和電容(C{n})。通過合理選擇(R{sum})、(R{ntcs})、(R{p})、(R{ntc})等參數(shù)，可以實現(xiàn)對DCR變化的溫度補償，確保(V{Cn})代表電感總直流電流。同時，需要匹配(omega{L})和(omega{sns})，以確保(V{Cn}(s))準(zhǔn)確代表實時(I{0}(s))，實現(xiàn)良好的瞬態(tài)響應(yīng)。

電阻電流傳感網(wǎng)絡(luò)

每個電感都有一個串聯(lián)的電流傳感電阻(R{sen})，(R{sum})和(R{0})連接到(R{sen})的焊盤，準(zhǔn)確捕獲電感電流信息。(R{sum})和(C{n})形成濾波器用于噪聲衰減。

過流保護

電阻(R{i})設(shè)置與下垂電流和IMON電流成比例的(Isum)電流。根據(jù)不同的電流傳感方法（電感DCR傳感或電阻傳感），可以通過相應(yīng)的公式計算(R{i})的值，以滿足過流保護的要求。

負(fù)載線斜率

根據(jù)不同的電流傳感方法，可以通過相應(yīng)的公式計算負(fù)載線斜率表達(dá)式，并根據(jù)全負(fù)載條件計算(R_{droop})的值。建議從計算值開始，并在實際電路板上進行微調(diào)，以獲得準(zhǔn)確的負(fù)載線斜率。

補償器

Intersil提供基于Microsoft Excel的電子表格，幫助設(shè)計補償器和電流傳感網(wǎng)絡(luò)，使VR實現(xiàn)恒定輸出阻抗，成為穩(wěn)定的系統(tǒng)。設(shè)計補償器時，需要確保T1(s)和T2(s)具有足夠的相位裕度，且輸出阻抗等于或小于負(fù)載線斜率。

電流平衡

通過匹配ISEN引腳電壓實現(xiàn)電流平衡，(R{isen})和(C{isen})形成濾波器，去除相節(jié)點電壓的開關(guān)紋波。建議使用較長的(R{isen}C{isen})時間常數(shù)，使ISEN電壓的紋波最小化，代表通過電感的直流電流。

熱監(jiān)測組件選擇

通過選擇合適的NTC熱敏電阻和偏移電阻，可以實現(xiàn)對主板溫度的監(jiān)測和警告。根據(jù)熱警告和關(guān)機閾值的電壓要求，計算所需的NTC熱敏電阻值，并根據(jù)實際情況添加串聯(lián)電阻進行調(diào)整。

自舉電容選擇

集成柵極驅(qū)動器具有內(nèi)部自舉肖特基二極管，只需在BOOT和PHASE引腳之間添加外部電容即可完成自舉電路。自舉電容的最大電壓額定值應(yīng)高于VDDP + 4V，其電容值可以根據(jù)公式計算。

可選的FCCM_NB濾波

建議在FCCM_NB引腳到地的電阻上并聯(lián)一個電容，以減少引腳噪聲，防止其影響軟啟動序列的電阻讀取部分。

七、布局指南

PCB布局考慮

• 電源和信號層放置：電源層應(yīng)靠近在一起，位于電路板的頂部或底部，弱模擬或邏輯信號層位于電路板的另一側(cè)。接地平面層應(yīng)與信號層相鄰，提供屏蔽。
• 組件放置：首先放置功率組件，包括MOSFET、輸入和輸出電容以及電感。應(yīng)采用對稱布局，使控制器與每個功率鏈等距，以實現(xiàn)均勻的散熱。保持功率鏈與控制IC之間的距離短，有助于縮短柵極驅(qū)動走線。輸入高頻電容應(yīng)靠近上MOSFET的漏極和下MOSFET的源極放置，輸出電感和輸出電容應(yīng)放置在MOSFET和負(fù)載之間。高頻輸出去耦電容應(yīng)盡可能靠近去耦目標(biāo)（微處理器）放置。

引腳布局指南

對于每個引腳，都有相應(yīng)的布局指南，如保持ISEN引腳的環(huán)路小、將NTC熱敏電阻放置在靠近被監(jiān)測的熱源處、將IMON電阻靠近引腳放置并保持緊密的接地連接等。

八、總結(jié)

ISL62773A多相PWM調(diào)節(jié)器為AMD Fusion移動CPU提供了全面、高效的電源管理解決方案。其豐富的特性、先進的工作原理和完善的保護功能，使其成為電子工程師在設(shè)計相關(guān)電源系統(tǒng)時的理想選擇。在實際應(yīng)用中，通過合理選擇關(guān)鍵組件和遵循布局指南，可以充分發(fā)揮ISL62773A的性能優(yōu)勢，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

你在設(shè)計過程中是否遇到過類似的電源管理挑戰(zhàn)？對于ISL62773A的應(yīng)用，你有什么獨特的見解或經(jīng)驗？歡迎在評論區(qū)分享你的想法和經(jīng)驗。