深入解析 ISL62883/ISL62883B：多相 PWM 調(diào)節(jié)器的卓越之選

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，微處理器的性能不斷提升，對(duì)電源管理的要求也越來越高。多相 PWM 調(diào)節(jié)器作為一種關(guān)鍵的電源管理解決方案，能夠?yàn)槲⑻幚砥魈峁└咝А⒎€(wěn)定的電源。本文將深入解析 Renesas 的 ISL62883 和 ISL62883B 多相 PWM 調(diào)節(jié)器，探討其特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用場(chǎng)景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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產(chǎn)品概述

ISL62883 是一款專為微處理器核心電源設(shè)計(jì)的多相 PWM 降壓調(diào)節(jié)器，完全符合 IMVP - 6.5? 規(guī)范。它采用多相降壓轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，通過交錯(cuò)相位技術(shù)，使每個(gè)相位承擔(dān)部分總負(fù)載電流，有效降低了總輸出電壓紋波。這種設(shè)計(jì)不僅提升了系統(tǒng)性能，優(yōu)化了熱管理，還降低了組件成本、功耗和實(shí)現(xiàn)面積。ISL62883 集成了兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器，并可搭配一個(gè)外部柵極驅(qū)動(dòng)器，提供了完整的解決方案。其 PWM 調(diào)制器基于 Intersil 的 Robust Ripple Regulator（(R^{3})）技術(shù)?，與傳統(tǒng)調(diào)制器相比，在負(fù)載瞬變期間可實(shí)現(xiàn)可變開關(guān)頻率，從而獲得更快的瞬態(tài)響應(yīng)；在輕負(fù)載時(shí)降低開關(guān)頻率，提高調(diào)節(jié)器效率。

ISL62883B 與 ISL62883 功能相同，但采用了不同的封裝形式。

產(chǎn)品特點(diǎn)

精準(zhǔn)的多相核心電壓調(diào)節(jié)

• 高精度：在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)精度可達(dá) 0.5%，并具有增強(qiáng)的負(fù)載線精度。
• 靈活的電壓識(shí)別：支持 7 位 VID 輸入，電壓范圍從 0.300V 到 1.500V，步長(zhǎng)為 12.5mV，且支持實(shí)時(shí) VID 變化。

多種電流傳感方法

• 無損電感 DCR 電流傳感：利用電感的直流電阻進(jìn)行電流傳感，可通過單個(gè) NTC 熱敏電阻對(duì)溫度變化進(jìn)行熱補(bǔ)償。
• 精密電阻電流傳感：提供了另一種準(zhǔn)確的電流傳感方式。

出色的噪聲免疫和瞬態(tài)響應(yīng)

• 快速響應(yīng)：在負(fù)載瞬變時(shí)，(R^{3})? 調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)可變開關(guān)頻率，確保快速的瞬態(tài)響應(yīng)。
• 高效輕載：輕負(fù)載時(shí)降低開關(guān)頻率，提高調(diào)節(jié)器效率。

豐富的保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能

• 過流保護(hù)：可根據(jù)不同的工作模式調(diào)整過流保護(hù)閾值。
• 欠壓和過壓保護(hù)：確保輸出電壓在安全范圍內(nèi)。
• 過溫保護(hù)：當(dāng)溫度過高時(shí)，可通過 VR_TT# 信號(hào)進(jìn)行熱節(jié)流。
• 電流監(jiān)測(cè)：通過 IMON 引腳輸出與調(diào)節(jié)器輸出電流成比例的電流。

靈活的工作模式

• 可編程相數(shù)：支持 1 相、2 相或 3 相操作，可根據(jù)負(fù)載需求進(jìn)行靈活配置。
• 多種操作模式：根據(jù) PSI# 和 DPRSLPVR 信號(hào)，可進(jìn)入不同的操作模式，如 2 相 CCM、1 相 DE 等。

其他特點(diǎn)

• 自適應(yīng)體二極管導(dǎo)通時(shí)間減少功能：在二極管仿真模式下，可最小化體二極管導(dǎo)通損耗。
• 用戶可選的過沖減少功能：可選擇積極降低輸出電容，或禁用該功能以避免增加系統(tǒng)熱應(yīng)力。
• FB2 功能：在 2 相配置中，可優(yōu)化 1 相性能。

工作原理

多相 (R^{3})? 調(diào)制器

ISL62883 的 (R^{3})? 調(diào)制器結(jié)合了固定頻率 PWM 和滯環(huán) PWM 的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)消除了它們的許多缺點(diǎn)。其工作原理如下：

• 電壓窗口：從 VW 引腳到 COMP 引腳的電流源創(chuàng)建了一個(gè)由兩個(gè)引腳之間電阻設(shè)置的電壓窗口（VW 窗口）。
• 主時(shí)鐘生成：調(diào)制器使用主時(shí)鐘電路為從電路生成時(shí)鐘信號(hào)。通過一個(gè)等于 (g{m} V{o}) 的電流源對(duì)紋波電容 (C{rm}) 進(jìn)行放電，(C{rm}) 電壓 (V{crm}) 是一個(gè)在 VW 和 COMP 電壓之間變化的鋸齒波。當(dāng) (V{crm}) 達(dá)到 COMP 時(shí)，它會(huì)重置為 VW，并生成一個(gè)單觸發(fā)主時(shí)鐘信號(hào)。
• 相位分配：相位序列器將主時(shí)鐘信號(hào)分配到從電路。在 3 相模式下，主時(shí)鐘信號(hào)將分配到三個(gè)相位，Clock1 - 3 信號(hào)相差 120°；在 2 相模式下，分配到相位 1 和 2，Clock1 和 Clock2 信號(hào)相差 180°；在 1 相模式下，僅分配到相位 1。
• 從電路操作：每個(gè)從電路都有自己的紋波電容 (C{rs})，其電壓模擬電感紋波電流。(g{m}) 放大器將電感電壓轉(zhuǎn)換為電流源，對(duì) (C{rs}) 進(jìn)行充電和放電。當(dāng)從電路接收到時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，PWM 脈沖開啟，電流源對(duì) (C{rs}) 充電；當(dāng) (C{rs}) 電壓達(dá)到 VW 時(shí)，PWM 脈沖關(guān)閉，電流源對(duì) (C{rs}) 放電。

二極管仿真和周期拉伸

ISL62883 可在二極管仿真（DE）模式下工作，以提高輕負(fù)載效率。在 DE 模式下，低側(cè) 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)，電感電流可能會(huì)在下次相位節(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）；當(dāng)負(fù)載電流較重時(shí)，電感電流不會(huì)達(dá)到 0A，調(diào)節(jié)器仍處于連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。

在輕負(fù)載的二極管仿真模式下，ISL62883 通過鉗位紋波電容電壓 (V_{crs}) 來模擬電感電流，自然地拉伸開關(guān)周期，減少開關(guān)頻率，從而提高輕負(fù)載效率。

啟動(dòng)時(shí)序

當(dāng)控制器的 (VDD) 電壓高于 POR 閾值，且 VR_ON 超過 3.3V 邏輯高電平時(shí)，啟動(dòng)序列開始。ISL62883 使用數(shù)字軟啟動(dòng)，以約 2.5mV/μs 的斜率將 DAC 電壓提升至 1.1V 的啟動(dòng)電壓。當(dāng)輸出電壓在 13 個(gè) PWM 周期內(nèi)達(dá)到啟動(dòng)電壓的 10% 以內(nèi)時(shí)，CLK_EN# 被拉低，DAC 以 5mV/μs 的斜率調(diào)整到 VID 引腳設(shè)置的電壓。大約 7ms 后，PGOOD 信號(hào)被置高。

電壓調(diào)節(jié)和負(fù)載線實(shí)現(xiàn)

啟動(dòng)后，ISL62883 根據(jù) VID 輸入將輸出電壓調(diào)節(jié)到指定值。隨著負(fù)載電流的增加，輸出電壓會(huì)根據(jù)負(fù)載線要求從 VID 表值下降，下降量與負(fù)載電流成正比。ISL62883 可通過電感 DCR 或電阻進(jìn)行電流傳感，將電感總電流信息轉(zhuǎn)換為內(nèi)部電流源 (I_{droop})，用于負(fù)載線實(shí)現(xiàn)、電流監(jiān)測(cè)和過流保護(hù)。

相位電流平衡

ISL62883 通過監(jiān)測(cè) ISEN1、ISEN2 和 ISEN3 引腳的電壓來監(jiān)測(cè)各相的平均電流。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。通過調(diào)整各相的脈沖寬度，使各相的 ISEN 引腳電壓相等，從而實(shí)現(xiàn)相位電流平衡。在某些情況下，可采用差分傳感電流平衡電路，以消除 PCB 寄生電阻的影響。

應(yīng)用場(chǎng)景

ISL62883/ISL62883B 適用于各種需要高效、穩(wěn)定電源的筆記本電腦和其他移動(dòng)設(shè)備中的微處理器核心電源應(yīng)用。其多相設(shè)計(jì)和靈活的配置選項(xiàng)使其能夠滿足不同處理器的功率需求，提供可靠的電源解決方案。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

關(guān)鍵組件選擇

• RBIAS：使用一個(gè)從 RBIAS 引腳到 GND 的高精度電阻（建議公差為 1% 或更好）來建立內(nèi)部參考電流源。(R{BIAS}=47 kΩ) 可啟用過沖減少功能，(R{BIAS}=147 kΩ) 則禁用該功能。
• (R{is}) 和 (C{is})：在 ISUM + 和 ISUM - 引腳之間連接 (R{is}-C{is}) 網(wǎng)絡(luò)，以穩(wěn)定下垂放大器。推薦值為 (R{is}=82.5 Ω) 和 (C{is}=0.01 μF)。
• 電感 DCR 電流傳感網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)具體應(yīng)用，合理選擇 (R{sum})、(R{ntcs})、(R{p}) 和 (R{ntc}) 等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電感 DCR 變化的溫度補(bǔ)償，并確保 (C_{n}) 電壓能夠準(zhǔn)確反映實(shí)時(shí)電感總電流。
• 電阻電流傳感網(wǎng)絡(luò)：選擇合適的 (R{sen})、(R{sum}) 和 (C_{n}) 值，以準(zhǔn)確捕獲電感電流信息，并進(jìn)行噪聲衰減。

過流保護(hù)設(shè)計(jì)

• (R_{i}) 的選擇：根據(jù)所需的過流保護(hù)閾值和負(fù)載電流，計(jì)算并選擇合適的 (R{i}) 值，以設(shè)置下垂電流 (I{droop})。
• (R_{comp}) 的調(diào)整：通過在 COMP 引腳和 GND 之間連接一個(gè)電阻 (R{comp})，可對(duì)內(nèi)部過流保護(hù)閾值進(jìn)行微調(diào)。建議先根據(jù) OCP 要求調(diào)整 (I{droop})，再使用 (R_{comp}) 進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。

負(fù)載線斜率設(shè)計(jì)

根據(jù)所選的電流傳感方法（電感 DCR 或電阻），使用相應(yīng)的公式計(jì)算負(fù)載線斜率表達(dá)式，并根據(jù)全負(fù)載條件計(jì)算 (R_{droop}) 值。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。

電流監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

根據(jù) (I{droop}) 和所需的 IMON 引腳電壓，計(jì)算并選擇合適的 (R{imon}) 值。可在 (R{imon}) 上并聯(lián)一個(gè)電容 (C{imon}) 來過濾 IMON 引腳電壓，時(shí)間常數(shù)由用戶根據(jù)需要選擇。

補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

使用 Intersil 提供的基于 Microsoft Excel 的電子表格來設(shè)計(jì)補(bǔ)償器和電流傳感網(wǎng)絡(luò)，使電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒定輸出阻抗，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。設(shè)計(jì)補(bǔ)償器時(shí)，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。

布局指南

• 模擬地平面：在控制器和模擬信號(hào)處理組件下方創(chuàng)建模擬地平面，避免電源地平面與模擬地平面重疊，并防止噪聲平面/走線穿過或重疊模擬平面。
• 關(guān)鍵引腳布局：將關(guān)鍵組件（如電容、電阻等）放置在靠近相應(yīng)引腳的位置，確保低阻抗連接。例如，將 RBIAS 電阻放置在靠近 RBIAS 引腳的位置，并連接到良好的模擬地平面；將 NTC 熱敏電阻放置在靠近被監(jiān)測(cè)熱源（通常是相位 1 高側(cè) MOSFET）的位置。
• 柵極驅(qū)動(dòng)走線：UGATE 和 LGATE 走線應(yīng)采用適當(dāng)?shù)膶挾龋?30mil），并避免與敏感模擬信號(hào)走線交叉或靠近。推薦將 PHASE 和 VSSP 走線連接到相應(yīng) MOSFET 的源極引腳，以提高性能。
• 相位節(jié)點(diǎn)布局：盡量減小相位節(jié)點(diǎn)的銅面積，避免相位節(jié)點(diǎn)銅與其他敏感走線重疊或靠近，并切割電源地平面以避免與相位節(jié)點(diǎn)銅重疊。

總結(jié)

ISL62883 和 ISL62883B 多相 PWM 調(diào)節(jié)器憑借其先進(jìn)的技術(shù)、豐富的功能和出色的性能，為微處理器核心電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分理解其工作原理和特點(diǎn)，合理選擇關(guān)鍵組件，精心設(shè)計(jì)補(bǔ)償器和布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高效性和可靠性。

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