ISL6537：雙通道DDR內(nèi)存系統(tǒng)的ACPI調(diào)節(jié)器/控制器

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。對于雙通道DDR內(nèi)存系統(tǒng)而言，需要一款高效、穩(wěn)定且符合ACPI標(biāo)準(zhǔn)的電源解決方案。ISL6537就是這樣一款優(yōu)秀的產(chǎn)品，下面我們就來詳細(xì)了解一下它。

文件下載：ISL6537-6506EVAL1.pdf

一、產(chǎn)品概述

ISL6537為多達(dá)4個(gè)DIMM的雙通道DDR/DDR2內(nèi)存系統(tǒng)提供了完整的ACPI兼容電源解決方案。它集成了同步降壓控制器，可在S0/S1和S3狀態(tài)下提供VDDQ電壓。在S0/S1狀態(tài)下，一個(gè)完全集成的灌/拉調(diào)節(jié)器能生成精確的（VDDQ / 2）高電流VTT電壓，無需負(fù)電源。此外，還提供了VDDQ/2參考的緩沖版本作為VREF。同時(shí)，集成了兩個(gè)LDO控制器，分別用于GMCH核心電壓調(diào)節(jié)以及GMCH和CPU VTT終端電壓調(diào)節(jié)。

二、產(chǎn)品特性

2.1 多電壓調(diào)節(jié)

• 可生成4種調(diào)節(jié)電壓，包括用于DDR VDDQ的同步降壓PWM控制器、帶有精確VDDQ/2分頻參考的3A集成灌/拉線性調(diào)節(jié)器（用于DDR VTT）、用于GMCH核心的LDO調(diào)節(jié)器以及用于CPU/GMCH VTT終端的LDO調(diào)節(jié)器。

  2.2 ACPI合規(guī)

• 支持ACPI睡眠狀態(tài)控制，在狀態(tài)變化時(shí)實(shí)現(xiàn)無干擾過渡。

  2.3 高效驅(qū)動(dòng)與控制

• 開關(guān)PWM控制器采用同步整流降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，?qū)動(dòng)兩個(gè)N溝道MOSFET，使用電壓模式控制，具有快速瞬態(tài)響應(yīng)。
• 開關(guān)調(diào)節(jié)器在電壓、負(fù)載和溫度范圍內(nèi)的最大靜態(tài)調(diào)節(jié)公差為±2%，輸出可通過外部電阻調(diào)節(jié)至低至0.8V。
• 集成軟啟動(dòng)功能，能在從任何睡眠狀態(tài)返回S0/S1狀態(tài)時(shí)，以可控方式使所有輸出進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)。

  2.4 其他特性

• 集成VREF緩沖器，PWM控制器可驅(qū)動(dòng)低成本N溝道MOSFET。
• 工作頻率為250kHz，所有輸出在溫度范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)精度為±2%，輸出電壓可在寬范圍內(nèi)完全調(diào)節(jié)，低至0.8V，支持DDR和DDR2規(guī)格。
• 采用簡單的單環(huán)電壓模式PWM控制設(shè)計(jì)，PWM轉(zhuǎn)換器具有快速瞬態(tài)響應(yīng)。
• 對所有輸出進(jìn)行欠壓和過壓監(jiān)測，開關(guān)調(diào)節(jié)器具有過流保護(hù)和熱關(guān)斷功能，產(chǎn)品符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

三、引腳說明

3.1 電源引腳

• 5VSBY（引腳1）：ISL6537的偏置電源，通常連接到ATX電源的5V待機(jī)軌。在S4/S5睡眠狀態(tài)下，ISL6537進(jìn)入低功耗模式，從5VSBY電源汲取的電流小于1mA。需使用0.1μF電容進(jìn)行本地旁路。
• P12V（引腳3）：為VTT調(diào)節(jié)電路和線性驅(qū)動(dòng)器供電，在S3/S4/S5操作期間不需要。通常連接到ATX電源的+12V軌。
• GND（引腳4、27、29）：為VTT LDO和開關(guān)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器提供返回路徑，高接地電流通過QFN封裝的外露焊盤直接傳導(dǎo)，該焊盤必須通過低電感路徑電連接到接地平面。

  3.2 驅(qū)動(dòng)與控制引腳

• UGATE（引腳26）：連接到上MOSFET的柵極，提供PWM控制的柵極驅(qū)動(dòng)，同時(shí)被自適應(yīng)直通保護(hù)電路監(jiān)測。
• LGATE（引腳28）：連接到下MOSFET的柵極，提供PWM控制的柵極驅(qū)動(dòng)，同樣被自適應(yīng)直通保護(hù)電路監(jiān)測。
• FB（引腳15）和COMP（引腳16）：VDDQ開關(guān)調(diào)節(jié)器采用單電壓控制環(huán)路，F(xiàn)B是電壓環(huán)路誤差放大器的負(fù)輸入，VDDQ輸出電壓由連接到FB的外部電阻分壓器設(shè)置，通過在COMP和FB之間連接交流網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)環(huán)路補(bǔ)償。
• PHASE（引腳24）：連接到上MOSFET的源極，用于監(jiān)測上MOSFET兩端的電壓降以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。
• OCSET（引腳22）：通過電阻（ROCSET）連接到上MOSFET的漏極，ROCSET、內(nèi)部20μA電流源（IOCSET）和上MOSFET導(dǎo)通電阻（rDS(ON)）根據(jù)公式(I{PEAK}=frac{I{OCSET} × R{OCSET}}{r{DS(ON)}})設(shè)置轉(zhuǎn)換器過流（OC）觸發(fā)點(diǎn)。

  3.3 輸出與參考引腳

• VDDQ（引腳7、8）：應(yīng)外部連接在一起，作為調(diào)節(jié)后的VDDQ輸出。在S0/S1狀態(tài)下，作為VTT調(diào)節(jié)器和VT參考精密分壓器的輸入。
• DDR_VTT（引腳5、6）：應(yīng)外部連接在一起，在S0/S1狀態(tài)下，作為VTT線性調(diào)節(jié)器的輸出。在S3狀態(tài)下，VTT調(diào)節(jié)器禁用。
• DDR_VTTSNS（引腳9）：用作VTT線性調(diào)節(jié)器的反饋，連接到所需調(diào)節(jié)的VTT輸出物理點(diǎn)。
• VREF_OUT（引腳13）：是VTT的緩沖版本，也是VTT線性調(diào)節(jié)器的參考電壓，建議在VDDQ和VREF_OUT之間以及VREF_OUT和地之間連接至少0.1μF的電容。
• VREF_IN（引腳14）：需要在VREF_IN和地之間連接一個(gè)電容CSS，該電容和上下分壓器阻抗的并聯(lián)組合（RU || RL）設(shè)置從S3/S4/S5到S0/S1/S2轉(zhuǎn)換時(shí)的啟動(dòng)斜坡時(shí)間常數(shù)。

  3.4 其他引腳

• BOOT（引腳25）：為上MOSFET驅(qū)動(dòng)器提供接地參考偏置電壓，使用自舉電路創(chuàng)建適合驅(qū)動(dòng)邏輯電平N溝道MOSFET的電壓。
• FB2（引腳11）：通過適當(dāng)大小的電阻分壓器連接VTT_GMCH/CPU線性調(diào)節(jié)器的輸出，該引腳電壓調(diào)節(jié)到0.8V，監(jiān)測欠壓事件。
• DRIVE2（引腳10）：為VTT_GMCH/CPU線性調(diào)節(jié)器的通晶體管提供柵極電壓，連接到外部N溝道MOSFET晶體管的柵極端。
• FB3（引腳18）：通過適當(dāng)大小的電阻分壓器連接下VGMCH線性調(diào)節(jié)器的輸出，該引腳電壓調(diào)節(jié)到0.8V，監(jiān)測欠壓事件。
• DRIVE3（引腳19）：為下VGMCH線性調(diào)節(jié)器的通晶體管提供柵極電壓，連接到外部N溝道MOSFET晶體管的柵極端。
• FB4（引腳20）：連接上VGMCH線性調(diào)節(jié)器的輸出，該引腳電壓通過RAFADJ4引腳調(diào)節(jié)。
• DRIVE4（引腳21）：為上VGMCH線性調(diào)節(jié)器的通晶體管提供柵極電壓，連接到外部N溝道MOSFET晶體管的柵極端。
• REFADJ4（引腳20）：控制上VGMCH線性調(diào)節(jié)器的參考，為確保上下通晶體管功耗相同，將該引腳連接到VGMCH輸出軌。
• VIDPGD（引腳12）：是一個(gè)開漏邏輯輸出，如果VTT_GMCH/CPU線性調(diào)節(jié)器在S0/S1/S2狀態(tài)下失調(diào)，該引腳變?yōu)檫壿嫷碗娖健Ｔ赟0/S1/S2以外的任何狀態(tài)下，VIDPGD始終為低電平。
• S5#（引腳23）：接受SLP_S5#睡眠狀態(tài)信號。
• S3#（引腳2）：接受SLP_S3#睡眠狀態(tài)信號。

四、功能描述

4.1 概述

ISL6537為為DDR內(nèi)存系統(tǒng)以及GMCH核心和GMCH/CPU終端軌的調(diào)節(jié)器提供完整的控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和ACPI合規(guī)性。它主要設(shè)計(jì)用于由ATX電源供電的計(jì)算機(jī)應(yīng)用。250kHz同步降壓調(diào)節(jié)器和0.8V精密參考為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存提供合適的核心電壓。內(nèi)部LDO調(diào)節(jié)器能夠灌/拉電流，外部可用的緩沖參考跟蹤VDDQ輸出的50%，提供VTT終端電壓。雙級LDO控制器提供GMCH核心電壓，第三個(gè)LDO控制器用于調(diào)節(jié)GMCH/CPU終端軌。通過SLP_S3和SLP_S5睡眠信號以及對12V ATX總線的監(jiān)測實(shí)現(xiàn)ACPI合規(guī)性。

4.2 初始化

ISL6537在接收到輸入電源時(shí)自動(dòng)初始化，不需要特殊的輸入電源排序。電源復(fù)位（POR）功能持續(xù)監(jiān)測輸入偏置電源電壓，當(dāng)偏置電源電壓超過POR閾值后，POR功能啟動(dòng)軟啟動(dòng)操作。

4.3 ACPI狀態(tài)轉(zhuǎn)換

• 冷啟動(dòng)（S4/S5到S0轉(zhuǎn)換）：在機(jī)械啟動(dòng)開始時(shí)，ISL6537從5V待機(jī)總線（5VSBY）接收偏置電壓。當(dāng)5VSBY軌超過POR閾值后，ISL6537將保持在內(nèi)部S5狀態(tài)，直到SLP_S3和SLP_S5信號都變?yōu)楦唠娖?，并且ATX的+12V軌超過12V POR閾值。滿足這些條件后，PWM誤差放大器首先通過將COMP引腳內(nèi)部短接到FB引腳進(jìn)行復(fù)位，持續(xù)三個(gè)軟啟動(dòng)周期（通常為24ms），然后開始數(shù)字軟啟動(dòng)序列，每個(gè)調(diào)節(jié)器按照預(yù)設(shè)順序啟用和軟啟動(dòng)。
• 活動(dòng)到睡眠（S0到S3轉(zhuǎn)換）：當(dāng)SLP_S3變?yōu)榈碗娖?，SLP_S5仍為高電平時(shí)，ISL6537將禁用除VDDQ調(diào)節(jié)器外的所有調(diào)節(jié)器，VIDPGD也將變?yōu)榈碗娖?。?dāng)VTT禁用時(shí)，VTT調(diào)節(jié)器的內(nèi)部參考內(nèi)部短接到VTT軌，使VTT軌浮動(dòng)。
• 睡眠到活動(dòng)（S3到S0轉(zhuǎn)換）：當(dāng)SLP_S3從低電平轉(zhuǎn)換為高電平，SLP_S5保持高電平，并且12V軌超過POR后，ISL6537將啟動(dòng)軟啟動(dòng)序列，與機(jī)械啟動(dòng)軟啟動(dòng)序列非常相似。
• 活動(dòng)到關(guān)機(jī)（S0到S5轉(zhuǎn)換）：當(dāng)系統(tǒng)從活動(dòng)（S0）狀態(tài)轉(zhuǎn)換到關(guān)機(jī)（S4/S5）狀態(tài)時(shí)，ISL6537 IC禁用所有調(diào)節(jié)器，并將VIDPGD引腳強(qiáng)制為低電平。

  4.4 故障保護(hù)

  ISL6537監(jiān)測VDDQ調(diào)節(jié)器的欠壓和過壓事件，VDDQ調(diào)節(jié)器還具有過流保護(hù)。內(nèi)部VTT_DDR LDO調(diào)節(jié)器監(jiān)測欠壓和過壓事件，所有其他調(diào)節(jié)器監(jiān)測欠壓事件。VDDQ或VTT_DDR調(diào)節(jié)器的過壓事件將導(dǎo)致所有調(diào)節(jié)器立即關(guān)閉，只能通過切換SLP_S5信號使系統(tǒng)進(jìn)入S5睡眠狀態(tài)，然后再轉(zhuǎn)換回活動(dòng)（S0）狀態(tài)來清除。如果調(diào)節(jié)器遇到其他故障條件（VDDQ的欠壓或過流），則該調(diào)節(jié)器將被禁用，內(nèi)部故障計(jì)數(shù)器加1。如果禁用的調(diào)節(jié)器用作另一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入，則級聯(lián)調(diào)節(jié)器也將因輸入丟失而出現(xiàn)故障，級聯(lián)調(diào)節(jié)器將被禁用，故障計(jì)數(shù)器加1。每次故障發(fā)生時(shí)，內(nèi)部故障計(jì)數(shù)器加1，內(nèi)部故障復(fù)位計(jì)數(shù)器清零。故障復(fù)位計(jì)數(shù)器每時(shí)鐘周期（通常為1/250kHz，即4μs）加1。如果在另一次故障發(fā)生之前，故障復(fù)位計(jì)數(shù)器達(dá)到16384，則故障計(jì)數(shù)器清零。如果在故障復(fù)位計(jì)數(shù)器達(dá)到16384之前發(fā)生故障，則故障復(fù)位計(jì)數(shù)器重置為零。當(dāng)系統(tǒng)從S5狀態(tài)重啟到活動(dòng)（S0）狀態(tài)時(shí)，故障計(jì)數(shù)器達(dá)到4時(shí)，ISL6537將立即關(guān)閉；在其他任何時(shí)候，故障計(jì)數(shù)器達(dá)到5時(shí)，ISL6537將立即關(guān)閉。

  4.5 VDDQ過流保護(hù)

  過流功能通過使用上MOSFET導(dǎo)通電阻（rDS(ON)）監(jiān)測電流，保護(hù)開關(guān)轉(zhuǎn)換器免受輸出短路的影響，提高了轉(zhuǎn)換器的效率并降低了成本。過流功能以打嗝模式循環(huán)軟啟動(dòng)功能，提供故障保護(hù)。通過電阻（ROCSET）編程過流觸發(fā)水平，當(dāng)跨上MOSFET的電壓超過ROCSET上的電壓時(shí)，過流功能啟動(dòng)軟啟動(dòng)序列。為避免在正常工作負(fù)載范圍內(nèi)過流觸發(fā)，可根據(jù)公式(I{PEAK}=frac{I{OCSET}}{r_{DS(ON)}})計(jì)算ROCSET電阻，其中考慮最高結(jié)溫下的最大rDS(ON)和規(guī)格表中的最小IOCSET。同時(shí)，在ROCSET上并聯(lián)一個(gè)小陶瓷電容，以平滑輸入電壓上開關(guān)噪聲存在時(shí)ROCSET兩端的電壓。

  4.6 熱保護(hù)（S0/S3狀態(tài)）

  如果ISL6537 IC結(jié)溫達(dá)到標(biāo)稱溫度+140°C，所有調(diào)節(jié)器將被禁用。直到結(jié)溫降至+110°C以下，并且偏置電壓被切換以啟動(dòng)POR或SLP_S5信號被強(qiáng)制為低電平然后再回到高電平，ISL6537才會(huì)重新啟用輸出。

  4.7 直通保護(hù)

  當(dāng)上下MOSFET同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，會(huì)發(fā)生直通情況，將輸入電壓直接短路到地。為防止直通情況，ISL6537在VDDQ調(diào)節(jié)器中集成了專用電路，確?；パa(bǔ)MOSFET不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。VDDQ調(diào)節(jié)器采用的自適應(yīng)直通保護(hù)通過監(jiān)測下柵極驅(qū)動(dòng)引腳LGATE和上柵極驅(qū)動(dòng)引腳UGATE來確定MOSFET的導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)。如果UGATE或LGATE到地的電壓小于0.8V，則相應(yīng)的MOSFET被定義為關(guān)斷，另一個(gè)MOSFET可以導(dǎo)通。這種方法允許VDDQ調(diào)節(jié)器既能源電流又能灌電流。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮在柵極驅(qū)動(dòng)器和各自MOSFET柵極之間引入外部組件的影響，因?yàn)檫@可能會(huì)干擾直通保護(hù)。

五、應(yīng)用指南

5.1 布局考慮

在高頻開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，布局非常重要。由于功率器件以250kHz的頻率高效開關(guān)，電流在不同器件之間的轉(zhuǎn)換會(huì)在互連阻抗和寄生電路元件上產(chǎn)生電壓尖峰，這些電壓尖峰可能會(huì)降低效率、向電路輻射噪聲并導(dǎo)致器件過壓應(yīng)力。因此，需要精心進(jìn)行組件布局和印刷電路板設(shè)計(jì)，以最小化這些電壓尖峰。

ISL6537開關(guān)轉(zhuǎn)換器中有兩組關(guān)鍵組件。開關(guān)組件最為關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈兦袚Q大量能量，容易產(chǎn)生大量噪聲。其次是連接到敏感節(jié)點(diǎn)或提供關(guān)鍵旁路電流和信號耦合的小信號組件。

建議使用多層印刷電路板。將一個(gè)實(shí)心層（通常是PCB的中間層）用作接地平面，所有關(guān)鍵組件的接地連接通過過孔連接到該層。另一個(gè)實(shí)心層用作電源平面，并將其分割成具有相同電壓電平的較小區(qū)域。保持從PHASE端子到輸出電感器的金屬走線短，電源平面應(yīng)支持輸入電源和輸出電源節(jié)點(diǎn)。在頂部和底部電路層使用銅填充多邊形作為相位節(jié)點(diǎn)，其余印刷電路層用于小信號布線。從GATE引腳到MOSFET柵極的布線應(yīng)短而寬，以輕松處理1A的驅(qū)動(dòng)電流。

為了散發(fā)內(nèi)部VTT LDO產(chǎn)生的熱量，接地焊盤（引腳29）應(yīng)通過至少四個(gè)過孔連接到內(nèi)部接地平面，這樣可以使熱量從IC散發(fā)出去，并通過低阻抗路徑將焊盤連接到接地平面。

開關(guān)組件應(yīng)首先靠近ISL6537放置，盡量縮短輸入電容器（CIN）和功率開關(guān)之間的連接長度，將陶瓷和大容量輸入電容器盡可能靠近上MOSFET漏極放置。將輸出電感器和輸出電容器放置在上MOSFET和下MOSFET與負(fù)載之間。

關(guān)鍵小信號組件包括任何旁路電容器、反饋組件和補(bǔ)償組件。將PWM轉(zhuǎn)換器補(bǔ)償組件靠近FB和COMP引腳放置，反饋電阻應(yīng)盡可能靠近FB引腳，并根據(jù)需要通過過孔直接連接到接地平面。

六、應(yīng)用領(lǐng)域

• 符合ACPI標(biāo)準(zhǔn)的PC中的單通道和雙通道DDR內(nèi)存電源系統(tǒng)。
• 圖形卡 - GPU和內(nèi)存電源。
• ASIC電源。
• 嵌入式處理器和I/O電源。
• DSP電源。

ISL6537以其豐富的功能、高效的性能和良好的保護(hù)機(jī)制，為雙通道DDR內(nèi)存系統(tǒng)的電源管理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，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和布局，以充分發(fā)揮ISL6537的優(yōu)勢。大家在使用ISL6537的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享。