深入解析 ISL62883/ISL62883B：多相 PWM 调节器的卓越之选

在当今的电子设备中，微处理器的性能不断提升，对电源管理的要求也越来越高。多相 PWM 调节器作为一种关键的电源管理解决方案，能够为微处理器提供高效、稳定的电源。本文将深入解析 Renesas 的 ISL62883 和 ISL62883B 多相 PWM 调节器，探讨其特点、工作原理、应用场景以及设计要点。

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产品概述

ISL62883 是一款专为微处理器核心电源设计的多相 PWM 降压调节器，完全符合 IMVP - 6.5™ 规范。它采用多相降压转换器架构，通过交错相位技术，使每个相位承担部分总负载电流，有效降低了总输出电压纹波。这种设计不仅提升了系统性能，优化了热管理，还降低了组件成本、功耗和实现面积。ISL62883 集成了两个栅极驱动器，并可搭配一个外部栅极驱动器，提供了完整的解决方案。其 PWM 调制器基于 Intersil 的 Robust Ripple Regulator（(R^{3})）技术™，与传统调制器相比，在负载瞬变期间可实现可变开关频率，从而获得更快的瞬态响应；在轻负载时降低开关频率，提高调节器效率。

ISL62883B 与 ISL62883 功能相同，但采用了不同的封装形式。

产品特点

精准的多相核心电压调节

• 高精度：在整个温度范围内，系统精度可达 0.5%，并具有增强的负载线精度。
• 灵活的电压识别：支持 7 位 VID 输入，电压范围从 0.300V 到 1.500V，步长为 12.5mV，且支持实时 VID 变化。

多种电流传感方法

• 无损电感 DCR 电流传感：利用电感的直流电阻进行电流传感，可通过单个 NTC 热敏电阻对温度变化进行热补偿。
• 精密电阻电流传感：提供了另一种准确的电流传感方式。

出色的噪声免疫和瞬态响应

• 快速响应：在负载瞬变时，(R^{3})™ 调制器可实现可变开关频率，确保快速的瞬态响应。
• 高效轻载：轻负载时降低开关频率，提高调节器效率。

丰富的保护和监测功能

• 过流保护：可根据不同的工作模式调整过流保护阈值。
• 欠压和过压保护：确保输出电压在安全范围内。
• 过温保护：当温度过高时，可通过 VR_TT# 信号进行热节流。
• 电流监测：通过 IMON 引脚输出与调节器输出电流成比例的电流。

灵活的工作模式

• 可编程相数：支持 1 相、2 相或 3 相操作，可根据负载需求进行灵活配置。
• 多种操作模式：根据 PSI# 和 DPRSLPVR 信号，可进入不同的操作模式，如 2 相 CCM、1 相 DE 等。

其他特点

• 自适应体二极管导通时间减少功能：在二极管仿真模式下，可最小化体二极管导通损耗。
• 用户可选的过冲减少功能：可选择积极降低输出电容，或禁用该功能以避免增加系统热应力。
• FB2 功能：在 2 相配置中，可优化 1 相性能。

工作原理

多相 (R^{3})™ 调制器

ISL62883 的 (R^{3})™ 调制器结合了固定频率 PWM 和滞环 PWM 的优点，同时消除了它们的许多缺点。其工作原理如下：

• 电压窗口：从 VW 引脚到 COMP 引脚的电流源创建了一个由两个引脚之间电阻设置的电压窗口（VW 窗口）。
• 主时钟生成：调制器使用主时钟电路为从电路生成时钟信号。通过一个等于 (g{m} V{o}) 的电流源对纹波电容 (C{rm}) 进行放电，(C{rm}) 电压 (V{crm}) 是一个在 VW 和 COMP 电压之间变化的锯齿波。当 (V{crm}) 达到 COMP 时，它会重置为 VW，并生成一个单触发主时钟信号。
• 相位分配：相位序列器将主时钟信号分配到从电路。在 3 相模式下，主时钟信号将分配到三个相位，Clock1 - 3 信号相差 120°；在 2 相模式下，分配到相位 1 和 2，Clock1 和 Clock2 信号相差 180°；在 1 相模式下，仅分配到相位 1。
• 从电路操作：每个从电路都有自己的纹波电容 (C{rs})，其电压模拟电感纹波电流。(g{m}) 放大器将电感电压转换为电流源，对 (C{rs}) 进行充电和放电。当从电路接收到时钟信号时，PWM 脉冲开启，电流源对 (C{rs}) 充电；当 (C{rs}) 电压达到 VW 时，PWM 脉冲关闭，电流源对 (C{rs}) 放电。

二极管仿真和周期拉伸

ISL62883 可在二极管仿真（DE）模式下工作，以提高轻负载效率。在 DE 模式下，低侧 MOSFET 在电流从源极流向漏极时导通，不允许反向电流，模拟二极管的行为。当负载电流较轻时，电感电流可能会在下次相位节点脉冲之前达到并保持为零，调节器进入不连续导通模式（DCM）；当负载电流较重时，电感电流不会达到 0A，调节器仍处于连续导通模式（CCM）。

在轻负载的二极管仿真模式下，ISL62883 通过钳位纹波电容电压 (V_{crs}) 来模拟电感电流，自然地拉伸开关周期，减少开关频率，从而提高轻负载效率。

启动时序

当控制器的 (VDD) 电压高于 POR 阈值，且 VR_ON 超过 3.3V 逻辑高电平时，启动序列开始。ISL62883 使用数字软启动，以约 2.5mV/µs 的斜率将 DAC 电压提升至 1.1V 的启动电压。当输出电压在 13 个 PWM 周期内达到启动电压的 10% 以内时，CLK_EN# 被拉低，DAC 以 5mV/µs 的斜率调整到 VID 引脚设置的电压。大约 7ms 后，PGOOD 信号被置高。

电压调节和负载线实现

启动后，ISL62883 根据 VID 输入将输出电压调节到指定值。随着负载电流的增加，输出电压会根据负载线要求从 VID 表值下降，下降量与负载电流成正比。ISL62883 可通过电感 DCR 或电阻进行电流传感，将电感总电流信息转换为内部电流源 (I_{droop})，用于负载线实现、电流监测和过流保护。

相位电流平衡

ISL62883 通过监测 ISEN1、ISEN2 和 ISEN3 引脚的电压来监测各相的平均电流。通过低通滤波器对各相节点电压进行平均，并将其提供给相应的 ISEN 引脚。通过调整各相的脉冲宽度，使各相的 ISEN 引脚电压相等，从而实现相位电流平衡。在某些情况下，可采用差分传感电流平衡电路，以消除 PCB 寄生电阻的影响。

应用场景

ISL62883/ISL62883B 适用于各种需要高效、稳定电源的笔记本电脑和其他移动设备中的微处理器核心电源应用。其多相设计和灵活的配置选项使其能够满足不同处理器的功率需求，提供可靠的电源解决方案。

设计要点

关键组件选择

• RBIAS：使用一个从 RBIAS 引脚到 GND 的高精度电阻（建议公差为 1% 或更好）来建立内部参考电流源。(R{BIAS}=47 kΩ) 可启用过冲减少功能，(R{BIAS}=147 kΩ) 则禁用该功能。
• (R{is}) 和 (C{is})：在 ISUM + 和 ISUM - 引脚之间连接 (R{is}-C{is}) 网络，以稳定下垂放大器。推荐值为 (R{is}=82.5 Ω) 和 (C{is}=0.01 μF)。
• 电感 DCR 电流传感网络：根据具体应用，合理选择 (R{sum})、(R{ntcs})、(R{p}) 和 (R{ntc}) 等参数，以实现对电感 DCR 变化的温度补偿，并确保 (C_{n}) 电压能够准确反映实时电感总电流。
• 电阻电流传感网络：选择合适的 (R{sen})、(R{sum}) 和 (C_{n}) 值，以准确捕获电感电流信息，并进行噪声衰减。

过流保护设计

• (R_{i}) 的选择：根据所需的过流保护阈值和负载电流，计算并选择合适的 (R{i}) 值，以设置下垂电流 (I{droop})。
• (R_{comp}) 的调整：通过在 COMP 引脚和 GND 之间连接一个电阻 (R{comp})，可对内部过流保护阈值进行微调。建议先根据 OCP 要求调整 (I{droop})，再使用 (R_{comp}) 进行精细调整。

负载线斜率设计

根据所选的电流传感方法（电感 DCR 或电阻），使用相应的公式计算负载线斜率表达式，并根据全负载条件计算 (R_{droop}) 值。在实际电路板上进行微调，以获得准确的负载线斜率。

电流监测设计

根据 (I{droop}) 和所需的 IMON 引脚电压，计算并选择合适的 (R{imon}) 值。可在 (R{imon}) 上并联一个电容 (C{imon}) 来过滤 IMON 引脚电压，时间常数由用户根据需要选择。

补偿器设计

使用 Intersil 提供的基于 Microsoft Excel 的电子表格来设计补偿器和电流传感网络，使电压调节器实现恒定输出阻抗，确保系统稳定。设计补偿器时，要确保 T1(s) 和 T2(s) 具有足够的相位裕度，且输出阻抗等于或小于负载线斜率。

布局指南

• 模拟地平面：在控制器和模拟信号处理组件下方创建模拟地平面，避免电源地平面与模拟地平面重叠，并防止噪声平面/走线穿过或重叠模拟平面。
• 关键引脚布局：将关键组件（如电容、电阻等）放置在靠近相应引脚的位置，确保低阻抗连接。例如，将 RBIAS 电阻放置在靠近 RBIAS 引脚的位置，并连接到良好的模拟地平面；将 NTC 热敏电阻放置在靠近被监测热源（通常是相位 1 高侧 MOSFET）的位置。
• 栅极驱动走线：UGATE 和 LGATE 走线应采用适当的宽度（>30mil），并避免与敏感模拟信号走线交叉或靠近。推荐将 PHASE 和 VSSP 走线连接到相应 MOSFET 的源极引脚，以提高性能。
• 相位节点布局：尽量减小相位节点的铜面积，避免相位节点铜与其他敏感走线重叠或靠近，并切割电源地平面以避免与相位节点铜重叠。

总结

ISL62883 和 ISL62883B 多相 PWM 调节器凭借其先进的技术、丰富的功能和出色的性能，为微处理器核心电源设计提供了一个优秀的解决方案。在设计过程中，我们需要充分理解其工作原理和特点，合理选择关键组件，精心设计补偿器和布局，以确保系统的稳定性、高效性和可靠性。

你是否在实际设计中使用过类似的多相 PWM 调节器？遇到过哪些挑战？欢迎在评论区分享你的经验和见解。