ISL6261A：助力IMVP - 6?移動(dòng)CPU的單相位核心調(diào)節(jié)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(duì)于移動(dòng)CPU的電源調(diào)節(jié)，RENESAS的ISL6261A單相位核心調(diào)節(jié)器憑借其卓越的性能和先進(jìn)的技術(shù)，成為了眾多工程師的理想選擇。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款調(diào)節(jié)器。

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一、ISL6261A概述

ISL6261A是一款實(shí)現(xiàn)Intel? IMVP - 6協(xié)議的單相位降壓調(diào)節(jié)器，內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器，能夠有效降低Intel?奔騰處理器的功耗。其核心技術(shù)是Intersil的專利(R^{3}) Technology?，即Robust Ripple Regulator調(diào)制器。與傳統(tǒng)的多相位降壓調(diào)節(jié)器相比，(R^{3}) Technology?具有更快的瞬態(tài)響應(yīng)，這得益于它在負(fù)載瞬變期間可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率。

二、主要特性

1. 高精度電壓調(diào)節(jié)

具有0.5%的系統(tǒng)電壓精度，能在0.300V至1.500V的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)整核心輸出電壓，并且在溫度變化時(shí)仍能保持良好的穩(wěn)定性。

2. 多種工作模式

提供連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）、二極管仿真模式（DEM）和增強(qiáng)型二極管仿真模式（EDEM）三種工作模式。通過(guò)根據(jù)CPU模式信號(hào)DPRSLRVR和DPRSTP#以及FDE引腳設(shè)置改變工作模式，可最大程度提高效率，延長(zhǎng)電池壽命。

3. 靈活的電流感應(yīng)方案

支持無(wú)損電感DCR感應(yīng)和精密電阻感應(yīng)兩種電流感應(yīng)方案。若使用DCR感應(yīng)，NTC熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)可對(duì)電感DCR變化引起的增益和時(shí)間常數(shù)變化進(jìn)行熱補(bǔ)償。

4. 電源監(jiān)控功能

通過(guò)PMON引腳提供電源監(jiān)控功能，輸出的高帶寬模擬電壓信號(hào)代表CPU的瞬時(shí)功率，可幫助系統(tǒng)優(yōu)化整體功耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。

5. 其他特性

• 內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器具有2A驅(qū)動(dòng)能力。
• 支持7位VID輸入，可實(shí)現(xiàn)0.300V至1.500V以12.5mV步進(jìn)的電壓調(diào)節(jié)，并支持VID動(dòng)態(tài)改變。
• 具備熱監(jiān)控、過(guò)壓、欠壓和過(guò)流保護(hù)等功能。
• 符合無(wú)鉛（RoHS）標(biāo)準(zhǔn)。

三、工作原理

1. 啟動(dòng)時(shí)序

當(dāng)控制器的VDD引腳電壓超過(guò)POR閾值，且VR_ON超過(guò)3.3V邏輯高閾值時(shí)，啟動(dòng)序列開(kāi)始。大約100μs后，SOFT和VO開(kāi)始向1.2V的啟動(dòng)電壓斜坡上升。啟動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器始終工作在連續(xù)電流模式（CCM）。當(dāng)VO在啟動(dòng)電壓的20mV范圍內(nèi)時(shí)，ISL6261A將計(jì)數(shù)13個(gè)時(shí)鐘周期，然后拉低CLK_EN#，并以約200μA的電流對(duì)SOFT電容進(jìn)行充電或放電，使VO以10mV/μs的速率上升到VID引腳設(shè)置的電壓。大約7ms后，PGOOD置為高電平。

2. 靜態(tài)操作

啟動(dòng)序列完成后，輸出電壓將根據(jù)VID輸入調(diào)節(jié)到Intel? IMVP - 6?規(guī)范中規(guī)定的值。ISL6261A通過(guò)真正的差分放大器遠(yuǎn)程感應(yīng)核心電壓，以精確控制微處理器管芯處的電壓。隨著負(fù)載電流的增加，輸出電壓會(huì)按比例下降，以實(shí)現(xiàn)IMVP - 6的負(fù)載線。

3. 高效工作模式

ISL6261A的工作模式取決于DPRSTP#、FDE和DPRSLPVR的控制信號(hào)狀態(tài)。通過(guò)合理設(shè)置這些信號(hào)，可以使調(diào)節(jié)器在不同負(fù)載條件下選擇最優(yōu)的工作模式，提高效率。例如，在深度睡眠模式下，可通過(guò)啟用DEM或EDEM模式降低開(kāi)關(guān)頻率，減少功耗。

4. 動(dòng)態(tài)操作

ISL6261A對(duì)VID變化的響應(yīng)速度由SOFT電容和DPRSLPVR的邏輯決定。在不同的工作模式下，輸出電壓的變化速率不同，以滿足系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下的需求。同時(shí)，Intersil (R^{3}) Technology?具有固有的電壓前饋功能，高速輸入電壓瞬變對(duì)輸出電壓的影響較小。在負(fù)載變化時(shí)，調(diào)節(jié)器會(huì)通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。

四、保護(hù)功能

ISL6261A提供了過(guò)流（OC）、過(guò)壓（OV）、欠壓（UV）和過(guò)溫（OT）保護(hù)功能，確保系統(tǒng)在各種異常情況下的安全運(yùn)行。具體保護(hù)機(jī)制如下：

1. 過(guò)流保護(hù)

通過(guò)檢測(cè)下垂電壓來(lái)判斷是否發(fā)生過(guò)流。當(dāng)下垂電壓超過(guò)過(guò)流設(shè)定點(diǎn)超過(guò)120μs時(shí)，判定為過(guò)流故障；若下垂電壓超過(guò)過(guò)流設(shè)定點(diǎn)的兩倍且時(shí)間小于2μs，則判定為嚴(yán)重過(guò)流故障。在這兩種情況下，UGATE和LGATE輸出將被三態(tài)化，PGOOD將變?yōu)榈碗娖健?/p>

2. 過(guò)壓保護(hù)

有兩級(jí)過(guò)壓保護(hù)。當(dāng)輸出電壓超過(guò)VID + 200mV超過(guò)1ms時(shí)，判定為過(guò)壓故障；當(dāng)輸出電壓超過(guò)1.7V時(shí)，判定為嚴(yán)重過(guò)壓故障。過(guò)壓故障發(fā)生時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)器輸出將被三態(tài)化，PGOOD將變?yōu)榈碗娖?。?yán)重過(guò)壓故障時(shí)，低側(cè)FET將導(dǎo)通，直到輸出電壓降至約0.85V以下，然后所有FET將關(guān)閉。

3. 欠壓保護(hù)

當(dāng)輸出電壓低于（VID - 300mV）超過(guò)1ms時(shí)，判定為欠壓故障。此時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)器輸出將被三態(tài)化，PGOOD將變?yōu)榈碗娖健?/p>

4. 過(guò)溫保護(hù)

當(dāng)NTC引腳的電壓低于1.2V的過(guò)溫閾值時(shí)，VR_TT#引腳將被拉低，向系統(tǒng)監(jiān)督處理器發(fā)出熱節(jié)流信號(hào)。

五、元件選擇與應(yīng)用

1. 軟啟動(dòng)和模式變化斜率

ISL6261A通過(guò)控制SOFT引腳的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的輸出電壓斜率。在啟動(dòng)和深度睡眠模式的進(jìn)入和退出過(guò)程中，慢斜率可減少浪涌電流和可聽(tīng)噪聲；在深度睡眠模式退出時(shí)，快斜率可快速實(shí)現(xiàn)有源模式調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)性能。

2. 選擇Rbias

為了正確偏置ISL6261A，需要從RBIAS引腳連接一個(gè)147k、1%公差的電阻到地，以提供一個(gè)非常精確的10μA電流源，作為OCSET參考電流的來(lái)源。在布局時(shí)，應(yīng)將該電阻靠近RBIAS引腳，并連接到優(yōu)質(zhì)信號(hào)地，避免連接其他組件，以防止影響性能。

3. 啟動(dòng)操作 - CLK_EN#和PGOOD

ISL6261A提供一個(gè)3.3V邏輯輸出引腳CLK_EN#，系統(tǒng)3.3V電壓源連接到3V3引腳，為CLK_EN#功能提供電源。CLK_EN#在核心電壓在啟動(dòng)電壓的20mV范圍內(nèi)13個(gè)時(shí)鐘周期后變?yōu)榈碗娖?，PGOOD在CLK_EN#變?yōu)榈碗娖郊s7ms后變?yōu)楦唠娖健?/p>

4. 靜態(tài)操作 - 處理器管芯感應(yīng)

通過(guò)遠(yuǎn)程感應(yīng)，ISL6261A可以補(bǔ)償電源傳輸路徑中的各種電阻性電壓降，精確控制處理器管芯處的電壓。VSEN和RTN引腳連接到處理器管芯的Kelvin感應(yīng)線，為了獲得最佳的負(fù)載線調(diào)節(jié)性能，連接這些引腳的走線應(yīng)遠(yuǎn)離快速上升的電壓節(jié)點(diǎn)和其他噪聲走線，并建議使用共模和差模濾波器。

5. 設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率 - FSET

通過(guò)連接在VW和COMP引腳之間的電阻(R{fset})可以設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，電阻與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系近似為(R{fset}(kΩ)=(period(μs) - 0.29) × 2.33)。在二極管仿真模式下，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)隨著負(fù)載的減輕而降低，從而減少輕載時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。

6. 電壓調(diào)節(jié)器熱節(jié)流

ISL6261A通過(guò)監(jiān)測(cè)外部負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)熱節(jié)流功能。當(dāng)溫度升高導(dǎo)致NTC引腳電壓下降到1.2V以下時(shí)，VR_TT#引腳將被拉低，系統(tǒng)可以根據(jù)該信號(hào)調(diào)整CPU操作，降低功耗。通過(guò)合理選擇和放置NTC熱敏電阻，可以實(shí)現(xiàn)指定溫度上升的檢測(cè)。

7. 靜態(tài)操作 - 使用DCR感應(yīng)的靜態(tài)下垂

ISL6261A內(nèi)部的差分放大器可精確調(diào)節(jié)處理器管芯處的電壓。在使用DCR感應(yīng)時(shí)，需要通過(guò)迭代步驟補(bǔ)償DCR電阻的變化。選擇合適的(R{n})和(R{s})，使VSUM和VO節(jié)點(diǎn)之間在輕載時(shí)也能出現(xiàn)正確的下垂電壓。同時(shí)，NTC熱敏電阻應(yīng)靠近電感放置，以確保有效的熱補(bǔ)償。

8. 動(dòng)態(tài)操作 - DCR感應(yīng)中的下垂電容設(shè)計(jì)

下垂電容(C{n})的設(shè)計(jì)對(duì)于負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)至關(guān)重要。其電壓應(yīng)是電感電流的高帶寬模擬電壓，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)影響瞬態(tài)響應(yīng)。(C{n})的選擇應(yīng)使電流感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的RC時(shí)間常數(shù)與電感的L/DCR時(shí)間常數(shù)匹配。

9. 動(dòng)態(tài)操作 - 補(bǔ)償參數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)2.1mV/A的負(fù)載線，建議設(shè)計(jì)補(bǔ)償參數(shù)使調(diào)節(jié)器的輸出阻抗為2.1mΩ。推薦使用III型補(bǔ)償器來(lái)獲得最佳性能，Intersil提供了一個(gè)電子表格來(lái)設(shè)計(jì)補(bǔ)償參數(shù)。

10. 使用離散電阻感應(yīng)的下垂 - 靜態(tài)/動(dòng)態(tài)操作

在使用離散電阻感應(yīng)電感電流時(shí)，(R{s})和(C{n})主要用于噪聲濾波。推薦使用低ESL的感應(yīng)電阻，(R{s})為100Ω，(C{n})為220pF。由于電流感應(yīng)電阻的溫度變化不明顯，因此不需要NTC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行熱補(bǔ)償。

六、典型性能

從ISL6261A Eval1評(píng)估板上獲取的數(shù)據(jù)可以看出，該調(diào)節(jié)器在不同工作模式下都具有良好的效率和負(fù)載線調(diào)節(jié)性能。例如，在CCM模式下，不同輸入電壓和VID設(shè)置下的效率曲線顯示了其在各種負(fù)載條件下的高效性；在DEM和EDEM模式下，輕載時(shí)的效率得到了顯著提高，有助于延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。同時(shí)，在啟動(dòng)、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)等方面的測(cè)試波形也展示了其穩(wěn)定可靠的性能。

七、總結(jié)

ISL6261A單相位核心調(diào)節(jié)器以其先進(jìn)的技術(shù)、豐富的功能和良好的性能，為IMVP - 6?移動(dòng)CPU的電源調(diào)節(jié)提供了優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師可以根據(jù)具體需求合理選擇元件和設(shè)置參數(shù)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源管理。你在使用ISL6261A的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。