深入解析ISL62773A：AMD Fusion移动CPU的多相PWM调节器

在电子工程领域，为AMD Fusion™移动CPU提供稳定、高效的电源管理是一个关键挑战。ISL62773A多相PWM调节器的出现，为解决这一问题提供了出色的解决方案。今天，我们就来深入探讨一下这款调节器的特性、工作原理以及应用设计要点。

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一、ISL62773A概述

ISL62773A完全符合AMD Fusion™ SVI 2.0标准，为微处理器和图形处理器核心电源提供了完整的解决方案。它支持两个电压调节器（VR），拥有三个集成栅极驱动器和两个可选的外部驱动器，具有极高的灵活性。Core VR可配置为3相、2相或1相运行，而Northbridge VR支持2相或1相配置。两个VR共享一个串行控制总线与AMD CPU通信，相比双芯片解决方案，成本更低，占用的电路板面积更小。

特性亮点

1. 支持AMD SVI 2.0：串行VID时钟频率范围为100kHz至25MHz，能与AMD CPU实现高效通信。
2. 双输出控制器：集成了两个专用核心驱动器和一个可编程驱动器，可用于Core或Northbridge。
3. 精确的电压调节：系统在过温情况下的精度可达0.5%，输出电压范围为0.5V至1.55V，步长为6.25mV，且增强了负载线精度。
4. 多种电流传感方法：支持无损电感DCR电流传感和精密电阻电流传感。
5. 可编程相数：Core输出可配置为1相、2相或3相，Northbridge输出可配置为1相或2相。
6. 自适应体二极管导通时间减少：提高了轻载效率。
7. 出色的抗噪性和瞬态响应：确保在各种负载条件下都能稳定工作。
8. 输出电流和电压遥测：方便实时监测电源状态。
9. 差分远程电压传感：提高电压调节的精度。
10. 全负载范围高效：降低功耗，延长设备续航。
11. 可编程压摆率：可根据实际需求进行调整。
12. 可编程VID偏移和下垂：优化输出电压。
13. 可编程开关频率：适应不同的应用场景。
14. 出色的相电流平衡：保证各相电流均匀分配。
15. 多重保护功能：包括过流保护（OCP/WOC）、过压保护（OVP）、电源良好指示（PGOOD）和热监测。
16. 小尺寸封装：采用48引脚6x6 QFN封装，无铅（符合RoHS标准）。

二、工作原理

多相R3™调制器

ISL62773A采用Intersil专利的R3™（Robust Ripple Regulator）调制器，结合了固定频率PWM和滞回PWM的优点，同时消除了它们的许多缺点。在芯片内部，调制器使用主时钟电路为从电路生成时钟信号。通过一个电流源对纹波电容(C{rm})进行放电，(C{rm})的电压(VCRM)是一个在VW和COMP电压之间变化的锯齿波。当(VCRM)达到COMP时，它会重置为VW并生成一个单触发主时钟信号。相位序列器将主时钟信号分配到各个从电路，根据不同的相数配置，时钟信号的相位会相应调整。

二极管仿真和周期拉伸

ISL62773A可以在二极管仿真（DE）模式下工作，以提高轻载效率。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，从而模拟二极管的行为。当负载电流较轻时，电感电流在下次相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，调节器处于连续导通模式（CCM）。通过对纹波电容电压(VCRS)的钳位，自然地拉伸开关周期，减少开关频率，提高轻载效率。

通道配置

可以通过将不需要的通道的ISENx引脚连接到+5V来禁用VR的各个PWM通道。例如，将Core VR的ISEN3和Northbridge VR的ISEN2连接到+5V，可以将控制器配置为2 + 1模式，禁用Core VR的通道3和Northbridge VR的通道2。

上电复位和启动时序

在控制器获得足够的偏置以保证正常运行之前，ISL62773A需要一个+5V输入电源连接到VDD和VDDP，且超过VDD上升上电复位（POR）阈值。当达到或超过该阈值后，一旦ENABLE引脚变为高电平，ISL62773A就会检查SVI输入的状态。启动时，控制器会在典型的8ms延迟后开始软启动Core和Northbridge输出，读取SVC和SVD引脚的状态以确定预PWROK Metal VID，并通过编程电阻配置内部驱动器、开关频率、压摆率和输出偏移。

电压调节和负载线实现

软启动序列完成后，ISL62773A将输出电压调节到预PWROK Metal VID编程的值。它可以通过电感的固有直流电阻（DCR）或与电感串联的电阻来感测电感电流，将电容(C{n})的电压转换为内部电流源(Isum)，用于负载线实现、电流监测和过流保护。通过驱动一个与(Isum)成比例的电流源(Idroop)，在电阻(R{droop})上产生电压降，实现负载线。

差分传感

采用差分电压传感方案，通过一个单位增益差分放大器感测处理器芯片的远程电压传感信号(VCC{SENSE})和(VSS{SENSE})，并将其与DAC输出相加，误差放大器调节输入电压以实现负载线。为了在没有处理器安装的情况下提供电压反馈，建议添加“捕获”电阻。

相电流平衡

ISL62773A通过监测ISEN1、ISEN2和ISEN3引脚的电压来监测各相的平均电流。通过低通滤波器对相节点电压进行平均，并将其呈现给相应的ISEN引脚。控制器会调整相脉冲宽度，使各相的ISEN引脚电压相等，从而实现相电流平衡。在某些情况下，采用差分传感电流平衡电路可以减少不对称布局对电流平衡的影响。

三、模式操作

Core VR模式

Core VR可以配置为3相、2相或1相运行。通过ISEN3和ISEN2引脚的状态以及SVI 2接口的PSL0_L和PSL1_L命令进行编程。不同的配置和状态组合决定了Core VR的运行模式，如3相CCM、2相CCM、1相DE等。

Northbridge VR模式

Northbridge VR可以配置为2相或1相运行，通过ISEN2_NB引脚的状态以及SVI 2命令的PSI0_L和PSI1_L位进行编程。同样，不同的配置和状态组合决定了Northbridge VR的运行模式。

四、SVI 2.0接口

预PWROK Metal VID

典型的主板启动时，控制器会解码SVC和SVD输入，确定预PWROK Metal VID设置。一旦ENABLE输入超过上升阈值，ISL62773A会解码并锁定该值到板载保持寄存器。内部DAC电路将Core和Northbridge VR逐渐斜坡到解码后的预PWROK Metal VID输出电平，软启动结束后，PGOOD和PGOOD_NB输出变为高电平，表示输出电压在调节范围内。

SVI接口激活

当Core和Northbridge VR成功软启动且PGOOD和PGOOD_NB信号变为高电平后，PWROK可以被外部断言。此时，控制器开始积极监测SVI接口，接收VID更改命令并相应地调整输出电压。

VID-on-the-Fly过渡

当PWROK为高电平时，ISL62773A开始监测SVC和SVD引脚的SVI指令。对于高于当前VID水平的VID代码，控制器以固定的压摆率将命令的VR输出逐步调整到新的VID目标；对于低于当前VID水平的VID代码，根据电源状态位的状态采取不同的调整方式。

SVI数据通信协议

SVI WIRE协议基于(I^{2}C)总线概念，通过串行时钟（SVC）和串行数据（SVD）两条线在AMD处理器（主设备）和VR控制器（从设备）之间传输信息。主设备发起和终止SVI事务，并驱动时钟信号。

五、保护特性

过流保护

IMON电压用于确定负载电流，过流保护（OCP）电路监测IMON电压，当IMON引脚电压达到1.5V的过流阈值时，触发OCP事件。控制器会在2µs内将VR_HOT_L置低，通知AMD CPU降低负载电流。故障定时器开始计数，7.5µs至11µs后标记OCP故障，控制器将活动通道三态化并进入关机状态。此外，当IMON电流达到15µA时，触发Way-Overcurrent（WOC）保护，控制器立即进入关机状态。

电流平衡保护

如果ISENx引脚电压差在1ms内大于9mV，控制器将宣布故障并锁存关闭。

欠压保护

当VSEN电压低于输出电压VID值加上任何编程偏移量325mV时，控制器宣布欠压故障，将PGOOD置低并将功率MOSFET三态化。

过压保护

当VSEN电压超过输出电压VID值加上任何编程偏移量325mV时，控制器宣布过压故障，将PGOOD置低并打开低侧功率MOSFET，直到输出电压降至VID设定值以下，然后将下栅极三态化。

热监测

ISL62773A具有两个热监测器，使用包含NTC热敏电阻的外部电阻网络监测主板温度。控制器从NTC引脚驱动30µA电流，并监测引脚电压。当电压降至640mV的警告阈值或以下时，控制器将VR_HOT_L置低，通知AMD CPU降低负载电流。当电压继续降至580mV的关机阈值或以下时，控制器进入关机状态，触发热故障。

六、关键组件选择

电感DCR电流传感网络

对于3相解决方案，电感电流通过DCR产生电压降，通过(R{sum})和(R{0})电阻准确感测电感电流，并将总电流信息馈送到NTC网络和电容(C{n})。通过合理选择(R{sum})、(R{ntcs})、(R{p})、(R{ntc})等参数，可以实现对DCR变化的温度补偿，确保(V{Cn})代表电感总直流电流。同时，需要匹配(omega{L})和(omega{sns})，以确保(V{Cn}(s))准确代表实时(I{0}(s))，实现良好的瞬态响应。

电阻电流传感网络

每个电感都有一个串联的电流传感电阻(R{sen})，(R{sum})和(R{0})连接到(R{sen})的焊盘，准确捕获电感电流信息。(R{sum})和(C{n})形成滤波器用于噪声衰减。

过流保护

电阻(R{i})设置与下垂电流和IMON电流成比例的(Isum)电流。根据不同的电流传感方法（电感DCR传感或电阻传感），可以通过相应的公式计算(R{i})的值，以满足过流保护的要求。

负载线斜率

根据不同的电流传感方法，可以通过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})的值。建议从计算值开始，并在实际电路板上进行微调，以获得准确的负载线斜率。

补偿器

Intersil提供基于Microsoft Excel的电子表格，帮助设计补偿器和电流传感网络，使VR实现恒定输出阻抗，成为稳定的系统。设计补偿器时，需要确保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。

电流平衡

通过匹配ISEN引脚电压实现电流平衡，(R{isen})和(C{isen})形成滤波器，去除相节点电压的开关纹波。建议使用较长的(R{isen}C{isen})时间常数，使ISEN电压的纹波最小化，代表通过电感的直流电流。

热监测组件选择

通过选择合适的NTC热敏电阻和偏移电阻，可以实现对主板温度的监测和警告。根据热警告和关机阈值的电压要求，计算所需的NTC热敏电阻值，并根据实际情况添加串联电阻进行调整。

自举电容选择

集成栅极驱动器具有内部自举肖特基二极管，只需在BOOT和PHASE引脚之间添加外部电容即可完成自举电路。自举电容的最大电压额定值应高于VDDP + 4V，其电容值可以根据公式计算。

可选的FCCM_NB滤波

建议在FCCM_NB引脚到地的电阻上并联一个电容，以减少引脚噪声，防止其影响软启动序列的电阻读取部分。

七、布局指南

PCB布局考虑

• 电源和信号层放置：电源层应靠近在一起，位于电路板的顶部或底部，弱模拟或逻辑信号层位于电路板的另一侧。接地平面层应与信号层相邻，提供屏蔽。
• 组件放置：首先放置功率组件，包括MOSFET、输入和输出电容以及电感。应采用对称布局，使控制器与每个功率链等距，以实现均匀的散热。保持功率链与控制IC之间的距离短，有助于缩短栅极驱动走线。输入高频电容应靠近上MOSFET的漏极和下MOSFET的源极放置，输出电感和输出电容应放置在MOSFET和负载之间。高频输出去耦电容应尽可能靠近去耦目标（微处理器）放置。

引脚布局指南

对于每个引脚，都有相应的布局指南，如保持ISEN引脚的环路小、将NTC热敏电阻放置在靠近被监测的热源处、将IMON电阻靠近引脚放置并保持紧密的接地连接等。

八、总结

ISL62773A多相PWM调节器为AMD Fusion移动CPU提供了全面、高效的电源管理解决方案。其丰富的特性、先进的工作原理和完善的保护功能，使其成为电子工程师在设计相关电源系统时的理想选择。在实际应用中，通过合理选择关键组件和遵循布局指南，可以充分发挥ISL62773A的性能优势，确保系统的稳定性和可靠性。

你在设计过程中是否遇到过类似的电源管理挑战？对于ISL62773A的应用，你有什么独特的见解或经验？欢迎在评论区分享你的想法和经验。