深入解析ISL6377：AMD Fusion桌面CPU的多相PWM調(diào)節(jié)器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為AMD Fusion桌面CPU提供穩(wěn)定、高效的電源解決方案至關(guān)重要。ISL6377作為一款完全符合AMD Fusion? SVI 2.0的多相PWM調(diào)節(jié)器，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。下面，我們就來詳細(xì)了解一下這款調(diào)節(jié)器。

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產(chǎn)品概述

ISL6377支持兩個電壓調(diào)節(jié)器（VR），擁有三個集成柵極驅(qū)動器和三個可選外部驅(qū)動器，具有極高的靈活性。Core VR可配置為4相、3相、2相或1相操作，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，與雙芯片解決方案相比，成本更低，占用的電路板面積更小。

產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

接口與控制

• 支持AMD SVI 2.0串行數(shù)據(jù)總線接口：串行VID時鐘頻率范圍為100kHz至25MHz，確保了與AMD CPU的高效通信。
• 雙輸出控制器與集成驅(qū)動器：具備兩個專用核心驅(qū)動器和一個可編程驅(qū)動器，可用于核心或北橋，滿足不同的應(yīng)用需求。

電壓調(diào)節(jié)與性能

• 高精度電壓調(diào)節(jié)：系統(tǒng)在全溫度范圍內(nèi)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。
• PWM調(diào)制器：基于Intersil的Robust Ripple Regulator (R3TM)技術(shù)，與傳統(tǒng)調(diào)制器相比，R3調(diào)制器可在負(fù)載瞬變期間自動改變開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)時間，并提高輕載效率。
• 增強(qiáng)的負(fù)載線精度：能夠更精確地調(diào)節(jié)輸出電壓，滿足CPU對電源的嚴(yán)格要求。

電流傳感與保護(hù)

• 支持多種電流傳感方法：包括無損電感DCR電流傳感和精密電阻電流傳感，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的傳感方式。
• 其他關(guān)鍵特性：兩個輸出均支持DCR電流傳感，可使用單個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。同時，具備遠(yuǎn)程電壓感應(yīng)、可調(diào)開關(guān)頻率、過流保護(hù)和電源良好指示等功能。

應(yīng)用靈活性

• 可編程相數(shù)：核心輸出可配置為1相、2相、3相或4相，北橋輸出可配置為1相或2相。
• 自適應(yīng)體二極管導(dǎo)通時間減少：提高了輕載效率。
• 出色的抗噪性和瞬態(tài)響應(yīng)：確保在復(fù)雜的電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作。

工作原理剖析

多相R3TM調(diào)制器

ISL6377采用多相R3TM調(diào)制器，結(jié)合了固定頻率PWM和滯環(huán)PWM的優(yōu)點(diǎn)，同時消除了它們的許多缺點(diǎn)。在IC內(nèi)部，調(diào)制器使用主時鐘電路為從電路生成時鐘信號。通過對紋波電容的充放電，產(chǎn)生鋸齒波電壓，當(dāng)電壓達(dá)到特定值時，生成主時鐘信號，并通過相位 sequencer 將其分配到各個從電路。這種設(shè)計(jì)使得控制器在負(fù)載插入和釋放時能夠快速響應(yīng)，提高了控制環(huán)路帶寬，同時確保了各相之間的動態(tài)電流平衡。

二極管仿真和周期拉伸

ISL6377可以工作在二極管仿真（DE）模式下，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，從而模擬二極管的特性。當(dāng)負(fù)載電流較輕時，調(diào)節(jié)器進(jìn)入不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），通過周期拉伸來降低開關(guān)頻率，進(jìn)一步提高輕載效率。

通道配置與啟動

可以通過將不需要的通道的ISENx引腳連接到+5V來禁用相應(yīng)的PWM通道，實(shí)現(xiàn)不同的配置。在啟動時，控制器需要+5V輸入電源超過VDD上升的上電復(fù)位（POR）閾值，然后檢查SVI輸入狀態(tài)，進(jìn)行軟啟動，并根據(jù)編程設(shè)置調(diào)節(jié)輸出電壓。

電壓調(diào)節(jié)與負(fù)載線實(shí)現(xiàn)

在軟啟動序列之后，ISL6377將輸出電壓調(diào)節(jié)到預(yù)PWROK金屬VID編程值。通過感應(yīng)電感電流，利用內(nèi)部放大器將其轉(zhuǎn)換為內(nèi)部電流源，實(shí)現(xiàn)負(fù)載線的調(diào)節(jié)。同時，采用差分電壓傳感方案，確保精確的電壓調(diào)節(jié)。

相電流平衡

ISL6377通過監(jiān)測ISEN1、ISEN2、ISEN3和ISEN4引腳的電壓來監(jiān)測各相的平均電流，并調(diào)整相脈沖寬度，以實(shí)現(xiàn)各相電流的平衡。在對稱布局的情況下，能夠更好地實(shí)現(xiàn)電流平衡；對于不對稱布局，可采用差分傳感電流平衡電路來解決電流不平衡問題。

模式與操作

核心VR模式

核心VR可以配置為4相、3相、2相或1相操作，通過ISEN4、ISEN3和ISEN2引腳的狀態(tài)以及SVI 2接口的PSI0_L和PSI1_L命令進(jìn)行編程。不同的配置和命令組合可以實(shí)現(xiàn)不同的工作模式，如CCM（連續(xù)導(dǎo)通模式）和DE（二極管仿真模式），以適應(yīng)不同的負(fù)載需求。

北橋VR模式

北橋VR可以配置為2相或1相操作，通過ISEN2_NB引腳的狀態(tài)以及SVI 2命令的PSI0_L和PSI1_L位進(jìn)行編程。同樣可以實(shí)現(xiàn)CCM和DE模式，以提高效率。

動態(tài)操作

在動態(tài)操作中，核心和北橋VR的行為相同。控制器根據(jù)VID-on-the-fly的變化，以編程的轉(zhuǎn)換速率調(diào)整輸出電壓。R3TM調(diào)制器具有電壓前饋功能，使輸出電壓對快速變化的輸入電壓不敏感。

配置與編程

電阻配置選項(xiàng)

ISL6377使用COMP、COMP_NB和FCCM_NB引腳來配置IC內(nèi)部的一些功能。通過在軟啟動序列的第一部分讀取這些引腳到地的電阻值，可以正確編程每個輸出的電壓偏移、浮動DriverX和PWM_Y輸出的配置、VID-on-the-fly轉(zhuǎn)換速率和開關(guān)頻率。

VR偏移編程

通過將COMP引腳和COMP_NB引腳連接到地的電阻，可以為核心VR和北橋VR編程正或負(fù)的偏移電壓。根據(jù)表中提供的電阻值，可以選擇所需的輸出電壓偏移。

浮動DriverX和PWM_Y配置

可以根據(jù)北橋VR的配置需求，將內(nèi)部DriverX和PWM_Y輸出配置到不同的VR中。通過FCCM_NB引腳到地的編程電阻，可以設(shè)置轉(zhuǎn)換速率和開關(guān)頻率，同時實(shí)現(xiàn)不同的配置。

VID-on-the-fly轉(zhuǎn)換速率選擇

FCCM_NB電阻還用于選擇處理器命令的VID變化的轉(zhuǎn)換速率。轉(zhuǎn)換速率在軟啟動期間鎖定，操作期間不可調(diào)整。最低可選擇的轉(zhuǎn)換速率為10mV/μs，高于SVI2規(guī)范要求的最小值。

CCM開關(guān)頻率

核心和北橋VR的開關(guān)頻率由COMP_NB和FCCM_NC上的編程電阻設(shè)置。在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，由于R3TM調(diào)制器的特性，開關(guān)頻率并非絕對恒定，但在穩(wěn)態(tài)下相對穩(wěn)定，變化通常小于10%，對輸出電壓紋波幅度影響不大。

AMD串行VID接口2.0

接口功能

ISL6377的板載串行VID接口2.0（SVI 2）電路允許AMD處理器直接控制IC內(nèi)的核心和北橋電壓參考電平。當(dāng)PWROK信號變?yōu)楦唠娖綍r，IC開始監(jiān)測SVC和SVD引腳的指令，并使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）根據(jù)解碼的SVI值生成參考電壓。

預(yù)PWROK金屬VID

在典型的主板啟動過程中，控制器首先解碼SVC和SVD輸入，確定預(yù)PWROK金屬VID設(shè)置。當(dāng)ENABLE輸入超過上升閾值時，ISL6377解碼并鎖定該值到板載保持寄存器中。然后，內(nèi)部DAC電路將核心和北橋VR逐漸斜坡上升到解碼的預(yù)PWROK金屬VID輸出電平，通過數(shù)字軟啟動電路控制輸出電壓的上升速率，減少軟啟動期間的浪涌電流。

SVI接口激活

當(dāng)核心和北橋VR成功軟啟動，PGOOD和PGOOD_NB信號變?yōu)楦唠娖綍r，PWROK可以外部斷言給ISL6377。此時，控制器開始積極監(jiān)測SVI接口，接收VID變化命令，并根據(jù)命令調(diào)整VR的輸出電壓。

VID-on-the-fly轉(zhuǎn)換

當(dāng)PWROK為高電平時，ISL6377檢測到該標(biāo)志并開始監(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，控制器以固定的轉(zhuǎn)換速率將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)采取不同的處理方式。

SVI數(shù)據(jù)通信協(xié)議

SVI WIRE協(xié)議基于I2C總線概念，通過串行時鐘（SVC）和串行數(shù)據(jù)（SVD）兩根線在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。

保護(hù)特性

過流保護(hù)

IMON電壓用于確定負(fù)載電流，過流保護(hù)（OCP）電路監(jiān)測IMON電壓，當(dāng)電壓達(dá)到1.5V時觸發(fā)OCP事件。控制器在檢測到OCP事件后2μs內(nèi)將VR_HOT_L置低，通知AMD CPU降低負(fù)載電流。如果OCP條件持續(xù)7.5μs至11μs，控制器將使活動通道三態(tài)化。此外，當(dāng)IMON電流達(dá)到15μA時，觸發(fā)Way-Overcurrent（WOC）保護(hù)，控制器立即進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。

電流平衡保護(hù)

控制器通過監(jiān)測ISENx引腳的電壓來實(shí)現(xiàn)電流平衡保護(hù)。如果ISENx引腳電壓差在1ms內(nèi)大于9mV，控制器將判定為故障并鎖定。

欠壓和過壓保護(hù)

當(dāng)VSEN電壓低于輸出電壓VID值加上任何編程偏移-325mV時，控制器判定為欠壓故障，使PGOOD置低并使功率MOSFET三態(tài)化；當(dāng)VSEN電壓超過輸出電壓VID值加上任何編程偏移+325mV時，控制器判定為過壓故障，使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。

熱監(jiān)測

ISL6377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。當(dāng)NTC引腳電壓降至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)電壓降至580mV的關(guān)機(jī)閾值或以下時，控制器進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，觸發(fā)熱故障。

關(guān)鍵組件選擇

電感DCR電流傳感網(wǎng)絡(luò)

電感DCR電流傳感網(wǎng)絡(luò)通過感應(yīng)電感的DCR電壓降來準(zhǔn)確測量電感電流。使用NTC熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償，確保在不同溫度下準(zhǔn)確測量電流。通過合理選擇電阻和電容參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)良好的溫度補(bǔ)償和瞬態(tài)響應(yīng)。

電阻電流傳感網(wǎng)絡(luò)

電阻電流傳感網(wǎng)絡(luò)使用串聯(lián)的電流傳感電阻來捕獲電感電流信息。通過Rsum和Cn形成的濾波器進(jìn)行噪聲衰減，確保測量的準(zhǔn)確性。

過流保護(hù)

通過選擇合適的電阻Ri來設(shè)置Isum電流，從而確定過流保護(hù)閾值。根據(jù)不同的電流傳感方式（電感DCR傳感或電阻傳感），計(jì)算Ri的值，確保在負(fù)載電流超過閾值時能夠及時觸發(fā)保護(hù)。

負(fù)載線斜率

負(fù)載線斜率的設(shè)置通過選擇合適的Rdroop電阻來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)不同的電流傳感方式，計(jì)算Rdroop的值，以滿足負(fù)載線的要求。

補(bǔ)償器

Intersil提供了基于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)恒定的輸出阻抗，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

電流平衡

通過匹配ISEN引腳的電壓來實(shí)現(xiàn)電流平衡。使用Risen和Cisen組成的濾波器去除相節(jié)點(diǎn)電壓的開關(guān)紋波，確保ISEN電壓能夠準(zhǔn)確反映電感的直流電流。

熱監(jiān)測組件選擇

根據(jù)熱警告和關(guān)機(jī)閾值的要求，選擇合適的NTC熱敏電阻和串聯(lián)電阻。通過計(jì)算電阻值，確保在不同溫度下能夠準(zhǔn)確監(jiān)測主板溫度，并及時觸發(fā)保護(hù)。

布局指南

PCB布局考慮

在PCB布局時，應(yīng)遵循電源層和信號層的合理放置原則，將電源層靠近放置在板的頂部或底部，弱模擬或邏輯信號層放置在板的另一側(cè)，接地平面層與信號層相鄰，提供屏蔽。

組件放置

電源組件（如MOSFET、輸入和輸出電容、電感）應(yīng)首先放置，確保每個電源列車的布局對稱，控制器與每個電源列車的距離相等，以實(shí)現(xiàn)均勻的散熱。小信號組件應(yīng)連接到敏感節(jié)點(diǎn)或提供關(guān)鍵的旁路電流和信號耦合。

引腳布局指南

不同的引腳有不同的布局要求，如ISEN引腳應(yīng)通過電容進(jìn)行去耦，并保持小的環(huán)路；NTC引腳的熱敏電阻應(yīng)靠近被監(jiān)測的熱源；IMON引腳的電阻應(yīng)靠近引腳并保持良好的接地連接等。

ISL6377作為一款高性能的多相PWM調(diào)節(jié)器，為AMD Fusion桌面CPU提供了全面的電源解決方案。通過深入了解其特性、工作原理、配置方法和保護(hù)特性，電子工程師可以更好地設(shè)計(jì)和應(yīng)用該調(diào)節(jié)器，滿足不同的應(yīng)用需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，還需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和要求，合理選擇關(guān)鍵組件，優(yōu)化PCB布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。你在使用ISL6377的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。