ISL6277：AMD Fusion?移動(dòng)CPU多相PWM調(diào)節(jié)器的卓越之選

在電子工程領(lǐng)域，為AMD Fusion?移動(dòng)CPU提供穩(wěn)定、高效的電源解決方案至關(guān)重要。ISL6277作為一款多相PWM調(diào)節(jié)器，憑借其出色的性能和豐富的特性，成為了眾多工程師的首選。今天，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

ISL6277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(gè)電壓調(diào)節(jié)器（VR），擁有三個(gè)集成柵極驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)可選外部驅(qū)動(dòng)器，具備極高的靈活性。其中，核心VR可配置為3相、2相或1相操作，北橋VR支持2相或1相配置。兩個(gè)VR共享一個(gè)串行控制總線與AMD CPU通信，與雙芯片解決方案相比，能降低成本并減小電路板面積。

二、關(guān)鍵特性剖析

（一）R3技術(shù)調(diào)制器

ISL6277采用了Intersil的Robust Ripple Regulator R3 Technology? PWM調(diào)制器。與傳統(tǒng)調(diào)制器相比，R3調(diào)制器能在負(fù)載瞬變期間自動(dòng)改變開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)更快的瞬態(tài)穩(wěn)定時(shí)間，并提高輕載效率。在負(fù)載插入響應(yīng)時(shí)，COMP電壓上升，使PWM脈沖提前開啟，有效開關(guān)頻率增加；負(fù)載釋放響應(yīng)時(shí)，COMP電壓下降，PWM脈沖延遲開啟，脈沖寬度減小，這種特性賦予了ISL6277出色的響應(yīng)速度。同時(shí)，所有相位共享相同的VW窗口電壓，確保了各相之間出色的動(dòng)態(tài)電流平衡。

（二）多種電流傳感方法

該調(diào)節(jié)器支持無損電感DCR電流傳感和精密電阻電流傳感兩種方法。通過單NTC熱敏電阻進(jìn)行DCR溫度補(bǔ)償，或采用精確的電阻電流傳感，可實(shí)現(xiàn)高精度的電流監(jiān)測(cè)。

（三）靈活的相數(shù)配置

核心輸出可編程為1相、2相或3相，北橋輸出可配置為1相或2相，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

（四）自適應(yīng)體二極管導(dǎo)通時(shí)間減少

在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下，控制器能在電感電流接近零時(shí)關(guān)閉低端MOSFET，通過監(jiān)測(cè)相電壓并調(diào)整相位比較器閾值電壓，將低端MOSFET體二極管導(dǎo)通時(shí)間控制在約40ns，從而減少體二極管相關(guān)損耗。

（五）其他特性

還具備輸出電流監(jiān)測(cè)和熱監(jiān)測(cè)、差分遠(yuǎn)程電壓傳感、全負(fù)載范圍內(nèi)的高效率、可編程壓擺率、可編程VID偏移和下垂、可編程開關(guān)頻率、出色的相之間動(dòng)態(tài)電流平衡、過流/過壓保護(hù)、電源良好指示和熱監(jiān)測(cè)等特性，并且采用了小尺寸48引腳6x6 QFN封裝，符合無鉛（RoHS）標(biāo)準(zhǔn)。

三、工作原理詳解

（一）多相R3調(diào)制器

ISL6277內(nèi)部的調(diào)制器使用主時(shí)鐘電路為從電路生成時(shí)鐘。通過電流源對(duì)紋波電容 (C_{rm}) 進(jìn)行充放電，其電壓 (VCRM) 呈鋸齒波波形，在VW和COMP電壓之間變化。當(dāng) (VCRM) 達(dá)到COMP時(shí)復(fù)位并生成主時(shí)鐘信號(hào)，相位序列器將主時(shí)鐘信號(hào)分配到從電路。不同相數(shù)模式下，主時(shí)鐘信號(hào)的分配方式不同，如3相模式下，時(shí)鐘1 - 3信號(hào)相差120°；2相模式下，時(shí)鐘1和2信號(hào)相差180°；1相模式下，主時(shí)鐘信號(hào)僅分配到相位1。

（二）二極管仿真和周期拉伸

ISL6277可在二極管仿真（DE）模式下工作，以提高輕載效率。在DE模式下，低端MOSFET在電流從源極流向漏極時(shí)導(dǎo)通，不允許反向電流，模擬二極管的行為。當(dāng)負(fù)載電流較輕時(shí)，電感電流可能在下次相節(jié)點(diǎn)脈沖之前達(dá)到并保持為零，調(diào)節(jié)器進(jìn)入不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）；負(fù)載電流較重時(shí)，電感電流不會(huì)達(dá)到0A，調(diào)節(jié)器處于連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。通過鉗位紋波電容電壓 (VCRS) ，自然拉伸開關(guān)周期，降低開關(guān)頻率，從而提高輕載效率。

（三）通道配置

通過將不需要的通道的ISENx引腳連接到+5V，可禁用VR的各個(gè)PWM通道。例如，將Core VR的ISEN3和Northbridge VR的ISEN2連接到+5V，可將控制器置于2 + 1配置，禁用Core VR的通道3和Northbridge VR的通道2。

（四）電源復(fù)位和啟動(dòng)時(shí)序

在控制器獲得足夠偏置以保證正常運(yùn)行之前，需要+5V輸入電源連接到VDD和VDDP并超過VDD上升電源復(fù)位（POR）閾值。當(dāng)ENABLE信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，控制器開始檢查SVI輸入狀態(tài)。啟動(dòng)時(shí)，控制器在典型的8ms延遲后開始軟啟動(dòng)Core和Northbridge輸出，讀取SVC和SVD引腳的預(yù)PWROK Metal VID，并通過編程電阻配置內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)頻率、壓擺率和輸出偏移等參數(shù)。

（五）電壓調(diào)節(jié)和負(fù)載線實(shí)現(xiàn)

軟啟動(dòng)序列完成后，ISL6277將輸出電壓調(diào)節(jié)到預(yù)PWROK金屬VID編程值，在0.75V至1.55V范圍內(nèi)，無負(fù)載輸出電壓控制精度可達(dá)±0.5%。通過差分放大器進(jìn)行電壓傳感，實(shí)現(xiàn)精確的電壓調(diào)節(jié)。負(fù)載電流增加時(shí)，輸出電壓會(huì)從VID編程值下降，下降量與負(fù)載電流成正比，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載線?？赏ㄟ^電感的固有直流電阻（DCR）或與電感串聯(lián)的電阻來感測(cè)電感電流，電容 (C{n}) 電壓代表總電感電流，下垂放大器將 (C{n}) 電壓轉(zhuǎn)換為內(nèi)部電流源，用于負(fù)載線實(shí)現(xiàn)、電流監(jiān)測(cè)和過流保護(hù)。

（六）差分傳感

通過差分電壓傳感方案， (VCC{SENSE}) 和 (VSS{SENSE}) 作為來自處理器管芯的遠(yuǎn)程電壓傳感信號(hào)，通過單位增益差分放大器進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)精確的電壓調(diào)節(jié)。同時(shí)，為防止系統(tǒng)在無處理器安裝時(shí)無法提供電壓反饋，建議添加“捕獲”電阻。

（七）相電流平衡

ISL6277通過監(jiān)測(cè)ISEN1、ISEN2和ISEN3電壓來監(jiān)測(cè)各相平均電流。通過低通濾波器對(duì)各相節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行平均，并將其提供給相應(yīng)的ISEN引腳?？刂破鲿?huì)調(diào)整各相脈沖寬度，使 (V{ISEN1}=V{ISEN2}=V{ISEN3}) ，從而實(shí)現(xiàn) (I{L1}=I{L2}=I{L3}) 。為實(shí)現(xiàn)良好的電流平衡，建議使用相同的電感組件，并采用對(duì)稱的電路板布局。對(duì)于難以實(shí)現(xiàn)對(duì)稱布局的情況，可采用差分傳感電流平衡電路。

四、模式操作

（一）Core VR模式

Core VR可配置為3相、2相或1相操作。不同配置下，通過ISEN3和ISEN2引腳狀態(tài)以及PSI0_L和PSI1_L命令進(jìn)行編程。例如，在3相配置下，當(dāng)PSI0_L為低電平時(shí)，Core VR會(huì)關(guān)閉相位2和3，相位1進(jìn)入二極管仿真（DE）模式；當(dāng)PSI0_L和PSI1_L都為低電平時(shí)，繼續(xù)以1相DE模式運(yùn)行。

（二）Northbridge VR模式

Northbridge VR可配置為2相或1相操作，通過ISEN2_NB引腳狀態(tài)以及PSI0_L和PSI1_L命令進(jìn)行編程。在1相配置下，ISEN2_NB引腳連接到+5V，當(dāng)PSI0_L和PSI1_L都為低電平時(shí)，進(jìn)入1相DE模式。

五、保護(hù)特性

（一）過流保護(hù)

當(dāng)IMON電阻兩端電壓達(dá)到1.5V時(shí)，觸發(fā)過流保護(hù)?？刂破髟跈z測(cè)到IMON電壓后的2μs內(nèi)將VR_HOT_L置為低電平，通知AMD CPU進(jìn)行降頻。故障計(jì)時(shí)器開始計(jì)數(shù)，7.5μs至11μs后標(biāo)記OCP故障，控制器將激活通道三態(tài)化并進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，PGOOD置為低電平。同時(shí)，還具備過流（WOC）保護(hù)功能，當(dāng)IMON電流達(dá)到15μA時(shí)，立即將控制器置于關(guān)機(jī)狀態(tài)。

（二）電流平衡保護(hù)

控制器監(jiān)測(cè)ISENx引腳電壓，若ISENx引腳電壓差在1ms內(nèi)大于9mV，則宣布故障并鎖存關(guān)閉。

（三）欠壓保護(hù)

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

（四）過壓保護(hù)

當(dāng)VSEN電壓超過輸出電壓VID值加上任何編程偏移量325mV時(shí)，控制器宣布過壓故障，PGOOD置為低電平，打開低端功率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。

（五）熱監(jiān)測(cè)

ISL6277具有兩個(gè)熱監(jiān)測(cè)器，使用包含NTC熱敏電阻的外部電阻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)主板溫度。當(dāng)NTC引腳電壓降至640mV的警告閾值或以下時(shí)，控制器將VR_HOT_L置為低電平，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(jī)閾值或以下時(shí)，控制器進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，PGOOD置為低電平，功率MOSFET三態(tài)化。

六、關(guān)鍵組件選擇

（一）電感DCR電流傳感網(wǎng)絡(luò)

對(duì)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(cè)電感電流，并將總電流信息提供給NTC網(wǎng)絡(luò)和電容 (C{n}) 。通過選擇合適的 (R{sum}) 、 (R{ntcs}) 、 (R{p}) 和 (R{ntc}) 參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)DCR變化的溫度補(bǔ)償。同時(shí)，為確保 (V{Cn}) 能準(zhǔn)確代表實(shí)時(shí) (I{0}) ，需要匹配 (w{L}) 和 (w{sns}) ，并根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算 (C{n}) 值。為減少輸出電壓的回環(huán)問題，可采用可選電路，如添加電阻 (R{n}) 和 (R{ip}-C_{ip}) 分支，但需注意其可能帶來的影響。

（二）電阻電流傳感網(wǎng)絡(luò)

每個(gè)電感都有一個(gè)串聯(lián)電流傳感電阻 (R{sen}) ， (R{sum}) 和 (R{0}) 連接到 (R{sen}) 焊盤以捕獲電感電流信息， (R{sum}) 和 (C{n}) 形成濾波器用于噪聲衰減。由于電流傳感電阻 (R_{sen}) 值在溫度變化時(shí)無顯著變化，因此無需NTC網(wǎng)絡(luò)。

（三）過流保護(hù)

通過合理設(shè)計(jì) (I{droop}) ，并根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算 (R{i}) 值，可實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。對(duì)于電感DCR傳感和電阻傳感，分別有不同的計(jì)算公式。

（四）負(fù)載線斜率

根據(jù)負(fù)載線實(shí)現(xiàn)原理，通過相關(guān)公式計(jì)算 (R{droop}) 值，可確定負(fù)載線斜率。建議先根據(jù)公式計(jì)算 (R{droop}) 值，再在實(shí)際電路板上進(jìn)行微調(diào)，以獲得準(zhǔn)確的負(fù)載線斜率。

（五）補(bǔ)償器

Intersil提供基于Microsoft Excel的電子表格，幫助設(shè)計(jì)補(bǔ)償器和電流傳感網(wǎng)絡(luò)，使VR實(shí)現(xiàn)恒定輸出阻抗，成為穩(wěn)定的系統(tǒng)。VR具有電壓環(huán)和下垂環(huán)的雙環(huán)系統(tǒng)，T1(s)是電壓環(huán)和下垂環(huán)的總環(huán)路增益，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大；T2(s)是下垂環(huán)閉合時(shí)的電壓環(huán)增益，對(duì)輸出電壓響應(yīng)影響較大。設(shè)計(jì)補(bǔ)償器時(shí)，應(yīng)確保T1(s)和T2(s)穩(wěn)定，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。

（六）電流平衡

通過匹配ISEN引腳電壓實(shí)現(xiàn)電流平衡， (R{isen}) 和 (C{isen}) 形成濾波器，去除相節(jié)點(diǎn)電壓的開關(guān)紋波。建議使用較長的 (R{isen}C{isen}) 時(shí)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。

（七）熱監(jiān)測(cè)組件選擇

根據(jù)NTC引腳的警告和關(guān)機(jī)閾值電壓，選擇合適的NTC熱敏電阻和偏移電阻。通過計(jì)算等效電阻和電阻變化，確定NTC熱敏電阻的阻值，并根據(jù)實(shí)際情況添加串聯(lián)電阻以滿足要求。NTC熱敏電阻應(yīng)放置在電路板的熱點(diǎn)位置，標(biāo)準(zhǔn)電阻應(yīng)放置在控制器附近。

七、布局指南

（一）PCB布局考慮

電源層應(yīng)靠近放置，弱模擬或邏輯信號(hào)層應(yīng)放置在電路板的另一側(cè)，接地平面層應(yīng)與信號(hào)層相鄰以提供屏蔽。

（二）組件放置

先放置功率組件，包括MOSFET、輸入和輸出電容器以及電感，確保每個(gè)功率鏈的布局對(duì)稱，控制器與每個(gè)功率鏈的距離相等。輸入高頻電容器應(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器應(yīng)放置在MOSFET和負(fù)載之間。高頻輸出去耦電容器應(yīng)盡可能靠近去耦目標(biāo)（微處理器）放置。同時(shí)，應(yīng)避免在IC下方區(qū)域布置具有高dV/dt和di/dt的噪聲走線。

（三）引腳布局考慮

不同引腳有不同的布局指南，如GND引腳應(yīng)通過低阻抗路徑連接到接地平面；ISEN引腳的電容應(yīng)靠近控制器放置，并保持相關(guān)環(huán)路??；NTC引腳的熱敏電阻應(yīng)靠近被監(jiān)測(cè)的熱源放置；IMON引腳的電阻應(yīng)靠近引腳并保持良好的接地連接等。

ISL6277以其豐富的特性、卓越的性能和靈活的配置，為AMD Fusion?移動(dòng)CPU的電源設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體需求，合理選擇關(guān)鍵組件，優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源供應(yīng)。大家在使用ISL6277的過程中，有遇到過哪些有趣的問題或者有什么獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。