ISL6261A：助力IMVP - 6®移动CPU的单相位核心调节器

在电子设备的设计中，电源管理是至关重要的一环。对于移动CPU的电源调节，RENESAS的ISL6261A单相位核心调节器凭借其卓越的性能和先进的技术，成为了众多工程师的理想选择。今天，我们就来深入了解一下这款调节器。

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一、ISL6261A概述

ISL6261A是一款实现Intel® IMVP - 6协议的单相位降压调节器，内置栅极驱动器，能够有效降低Intel®奔腾处理器的功耗。其核心技术是Intersil的专利(R^{3}) Technology™，即Robust Ripple Regulator调制器。与传统的多相位降压调节器相比，(R^{3}) Technology™具有更快的瞬态响应，这得益于它在负载瞬变期间可调节开关频率。

二、主要特性

1. 高精度电压调节

具有0.5%的系统电压精度，能在0.300V至1.500V的范围内动态调整核心输出电压，并且在温度变化时仍能保持良好的稳定性。

2. 多种工作模式

提供连续导通模式（CCM）、二极管仿真模式（DEM）和增强型二极管仿真模式（EDEM）三种工作模式。通过根据CPU模式信号DPRSLRVR和DPRSTP#以及FDE引脚设置改变工作模式，可最大程度提高效率，延长电池寿命。

3. 灵活的电流感应方案

支持无损电感DCR感应和精密电阻感应两种电流感应方案。若使用DCR感应，NTC热敏电阻网络可对电感DCR变化引起的增益和时间常数变化进行热补偿。

4. 电源监控功能

通过PMON引脚提供电源监控功能，输出的高带宽模拟电压信号代表CPU的瞬时功率，可帮助系统优化整体功耗，延长电池续航时间。

5. 其他特性

• 内部栅极驱动器具有2A驱动能力。
• 支持7位VID输入，可实现0.300V至1.500V以12.5mV步进的电压调节，并支持VID动态改变。
• 具备热监控、过压、欠压和过流保护等功能。
• 符合无铅（RoHS）标准。

三、工作原理

1. 启动时序

当控制器的VDD引脚电压超过POR阈值，且VR_ON超过3.3V逻辑高阈值时，启动序列开始。大约100μs后，SOFT和VO开始向1.2V的启动电压斜坡上升。启动时，调节器始终工作在连续电流模式（CCM）。当VO在启动电压的20mV范围内时，ISL6261A将计数13个时钟周期，然后拉低CLK_EN#，并以约200μA的电流对SOFT电容进行充电或放电，使VO以10mV/μs的速率上升到VID引脚设置的电压。大约7ms后，PGOOD置为高电平。

2. 静态操作

启动序列完成后，输出电压将根据VID输入调节到Intel® IMVP - 6®规范中规定的值。ISL6261A通过真正的差分放大器远程感应核心电压，以精确控制微处理器管芯处的电压。随着负载电流的增加，输出电压会按比例下降，以实现IMVP - 6的负载线。

3. 高效工作模式

ISL6261A的工作模式取决于DPRSTP#、FDE和DPRSLPVR的控制信号状态。通过合理设置这些信号，可以使调节器在不同负载条件下选择最优的工作模式，提高效率。例如，在深度睡眠模式下，可通过启用DEM或EDEM模式降低开关频率，减少功耗。

4. 动态操作

ISL6261A对VID变化的响应速度由SOFT电容和DPRSLPVR的逻辑决定。在不同的工作模式下，输出电压的变化速率不同，以满足系统在不同场景下的需求。同时，Intersil (R^{3}) Technology™具有固有的电压前馈功能，高速输入电压瞬变对输出电压的影响较小。在负载变化时，调节器会通过调整开关频率来实现快速响应。

四、保护功能

ISL6261A提供了过流（OC）、过压（OV）、欠压（UV）和过温（OT）保护功能，确保系统在各种异常情况下的安全运行。具体保护机制如下：

1. 过流保护

通过检测下垂电压来判断是否发生过流。当下垂电压超过过流设定点超过120μs时，判定为过流故障；若下垂电压超过过流设定点的两倍且时间小于2μs，则判定为严重过流故障。在这两种情况下，UGATE和LGATE输出将被三态化，PGOOD将变为低电平。

2. 过压保护

有两级过压保护。当输出电压超过VID + 200mV超过1ms时，判定为过压故障；当输出电压超过1.7V时，判定为严重过压故障。过压故障发生时，栅极驱动器输出将被三态化，PGOOD将变为低电平。严重过压故障时，低侧FET将导通，直到输出电压降至约0.85V以下，然后所有FET将关闭。

3. 欠压保护

当输出电压低于（VID - 300mV）超过1ms时，判定为欠压故障。此时，栅极驱动器输出将被三态化，PGOOD将变为低电平。

4. 过温保护

当NTC引脚的电压低于1.2V的过温阈值时，VR_TT#引脚将被拉低，向系统监督处理器发出热节流信号。

五、元件选择与应用

1. 软启动和模式变化斜率

ISL6261A通过控制SOFT引脚的电流来实现不同的输出电压斜率。在启动和深度睡眠模式的进入和退出过程中，慢斜率可减少浪涌电流和可听噪声；在深度睡眠模式退出时，快斜率可快速实现有源模式调节，提高系统性能。

2. 选择Rbias

为了正确偏置ISL6261A，需要从RBIAS引脚连接一个147k、1%公差的电阻到地，以提供一个非常精确的10μA电流源，作为OCSET参考电流的来源。在布局时，应将该电阻靠近RBIAS引脚，并连接到优质信号地，避免连接其他组件，以防止影响性能。

3. 启动操作 - CLK_EN#和PGOOD

ISL6261A提供一个3.3V逻辑输出引脚CLK_EN#，系统3.3V电压源连接到3V3引脚，为CLK_EN#功能提供电源。CLK_EN#在核心电压在启动电压的20mV范围内13个时钟周期后变为低电平，PGOOD在CLK_EN#变为低电平约7ms后变为高电平。

4. 静态操作 - 处理器管芯感应

通过远程感应，ISL6261A可以补偿电源传输路径中的各种电阻性电压降，精确控制处理器管芯处的电压。VSEN和RTN引脚连接到处理器管芯的Kelvin感应线，为了获得最佳的负载线调节性能，连接这些引脚的走线应远离快速上升的电压节点和其他噪声走线，并建议使用共模和差模滤波器。

5. 设置开关频率 - FSET

通过连接在VW和COMP引脚之间的电阻(R{fset})可以设置开关频率。在连续导通模式下，电阻与开关频率的关系近似为(R{fset}(kΩ)=(period(μs) - 0.29) × 2.33)。在二极管仿真模式下，开关频率会随着负载的减轻而降低，从而减少轻载时的开关损耗。

6. 电压调节器热节流

ISL6261A通过监测外部负温度系数（NTC）热敏电阻的电压来实现热节流功能。当温度升高导致NTC引脚电压下降到1.2V以下时，VR_TT#引脚将被拉低，系统可以根据该信号调整CPU操作，降低功耗。通过合理选择和放置NTC热敏电阻，可以实现指定温度上升的检测。

7. 静态操作 - 使用DCR感应的静态下垂

ISL6261A内部的差分放大器可精确调节处理器管芯处的电压。在使用DCR感应时，需要通过迭代步骤补偿DCR电阻的变化。选择合适的(R{n})和(R{s})，使VSUM和VO节点之间在轻载时也能出现正确的下垂电压。同时，NTC热敏电阻应靠近电感放置，以确保有效的热补偿。

8. 动态操作 - DCR感应中的下垂电容设计

下垂电容(C{n})的设计对于负载瞬态响应至关重要。其电压应是电感电流的高带宽模拟电压，若设计不当，会影响瞬态响应。(C{n})的选择应使电流感应网络的RC时间常数与电感的L/DCR时间常数匹配。

9. 动态操作 - 补偿参数

为了实现2.1mV/A的负载线，建议设计补偿参数使调节器的输出阻抗为2.1mΩ。推荐使用III型补偿器来获得最佳性能，Intersil提供了一个电子表格来设计补偿参数。

10. 使用离散电阻感应的下垂 - 静态/动态操作

在使用离散电阻感应电感电流时，(R{s})和(C{n})主要用于噪声滤波。推荐使用低ESL的感应电阻，(R{s})为100Ω，(C{n})为220pF。由于电流感应电阻的温度变化不明显，因此不需要NTC网络进行热补偿。

六、典型性能

从ISL6261A Eval1评估板上获取的数据可以看出，该调节器在不同工作模式下都具有良好的效率和负载线调节性能。例如，在CCM模式下，不同输入电压和VID设置下的效率曲线显示了其在各种负载条件下的高效性；在DEM和EDEM模式下，轻载时的效率得到了显著提高，有助于延长电池续航时间。同时，在启动、负载瞬态响应、过流和过压保护等方面的测试波形也展示了其稳定可靠的性能。

七、总结

ISL6261A单相位核心调节器以其先进的技术、丰富的功能和良好的性能，为IMVP - 6®移动CPU的电源调节提供了优秀的解决方案。在实际设计中，工程师可以根据具体需求合理选择元件和设置参数，充分发挥其优势，实现高效、稳定的电源管理。你在使用ISL6261A的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。