嵌入式ACPI兼容DDR电源生成方案：ISL6537A与ISL6506的应用解析

在计算机系统的电源设计中，满足ACPI（高级配置与电源接口）标准对于实现高效、稳定的电源管理至关重要。今天，我们就来深入探讨一下Intersil公司的ISL6537A与ISL6506芯片组合，如何为具有双通道DDRI、DDRII或DDRIII内存系统的计算机提供完整的ACPI兼容电源解决方案。

文件下载：ISL6537A-6506EVAL1Z.pdf

芯片功能概述

ISL6537A

ISL6537A是一款功能强大的芯片，它包含一个同步降压控制器，能够在S0/S1（运行）状态下为VDDQ_DDR提供高电流，在S3（挂起到内存）状态下提供待机电流。在运行模式下，一个完全集成的灌/拉式调节器可生成精确的（VDDQ_DDR/2）高电流VTT_DDR电压，并提供VDDQ_DDR/2参考的缓冲版本作为VREFDDR。此外，它还具有一个PWM控制器，与外部栅极驱动IC配合，调节(V{GMCH})，以及两个LDO控制器，用于调节VDAC和VTT_GMCH/CPU。

ISL6506

ISL6506主要控制5VDUAL和3.3VDUAL轨，有三个版本可供选择，具体版本取决于5VDUAL在S4/S5状态下是否需要保持激活。

快速启动评估

ISL6537A_6506EVAL1Z评估板开箱即用，支持使用ATX电源进行测试。该评估板的七个输出都可以通过外部负载进行测试，其中VDDQ和VTT调节器既能源电流也能灌电流，而其他输出只能源电流。评估板上还设有用于加载负载和监测电压的接口，以及18个单独标记的探测点，为设计师提供了便利。此外，板上的两个开关可用于模拟ACPI信号，生成SLP_S3和SLP_S5信号。

推荐测试设备

为了全面测试ISL6537A和ISL6506的功能，建议使用以下设备：

• 最小160W配置的ATX电源
• 多个电子负载
• 带探头的四通道示波器
• 精密数字万用表

由于有七个调节轨，同时测试和监测所有轨比较困难，用户可以考虑使用离散电阻负载和电子负载相结合的方式。电子负载因其能够施加多种不同的负载水平和负载瞬变，从而实现更广泛的分析，所以更受青睐。

电路设置

开关设置

确保S3开关处于ACTIVE位置，S5开关处于S5位置，这样在初始上电时，评估板将进入睡眠状态。

连接ATX电源

将ATX电源的20针连接器插入评估板的20针插座J1。如果ATX电源有主AC开关，在施加AC电压之前，应将其关闭。

连接负载

根据评估板上的电源、接地和信号连接点，按照不同轨的要求连接电子负载。需要注意的是，VTT_DDR是从VDDQ_DDR轨级联而来，VTT_GMCH/CPU是从VGMCH轨级联而来，任何级联轨的负载都会成为提供输入的轨的负载，在加载之前必须考虑这一点。

操作步骤

给评估板供电

将ATX电源插入市电，如果电源有AC开关，打开它。当S3和S5开关分别处于ACTIVE和S5位置时，评估板将处于S5睡眠状态，此时板上的电压为ATX提供的5VSBY和ISL6506控制的3VDUAL。将S5开关切换到ACTIVE位置，评估板将进入S0状态，所有输出应正常启动。

检查启动波形和不同负载下的输出质量

在进入S0状态后，启动立即开始。使用示波器或其他实验室设备，可以研究输出的上升和调节情况。可以通过电子负载或离散功率电阻来加载输出。

参考设计

总体设计

ISL6537A_6506EVAL1Z评估板展示了ISL6537A和ISL6506在嵌入式ACPI和DDR DRAM内存电源应用中的操作。VDDQ_DDR电源设计为在最大负载15A时提供1.8V电压，VTT_DDR终端电源将在源电流或灌电流时跟踪VDDQDDR电源的50%。第二个PWM控制器设计为在1.5V时为(V{GMCH})提供高达10A的电流，而单级LDO为VDAC提供2.5V电压，为VTT_GMCH/CPU提供1.2V电压。

电源启动和状态转换

• 睡眠状态转换：ISL6537A和ISL6506支持多种状态转换，包括冷启动（S5到S0状态转换）、活动到睡眠（S0到S3转换）、睡眠到活动（S3到S0转换）以及活动到关机（S0到S5转换）。通过不同的开关位置可以实现相应的状态转换。
• 初始上电 - 冷启动：在给ATX电源施加AC电源之前，将S3和S5开关都切换到ACTIVE位置，当ATX电源的5VSBY轨上电后，评估板将立即进入S0状态。
• S5睡眠状态到S0状态转换：在给ATX电源施加AC电源之前，将S5开关切换到S5位置，当5VSBY轨上电后，评估板将进入S5睡眠状态。将S5开关切换到ACTIVE位置，评估板将从S5状态转换到S0状态。
• S0到S3睡眠状态转换：将S3开关切换到S3位置，可实现从S0状态到S3睡眠状态的转换。在转换过程中，需要将VDDQ_DDR轨上的负载降低到5VDUAL轨能够支持的水平，否则VDDQ_DDR电压可能会崩溃。
• S3到S0状态转换：将S3开关返回到ACTIVE位置，可实现从S3睡眠状态到S0状态的转换。一旦PGOOD信号被断言，VDDQ_DDR轨可以加载超过5VDUAL在S3状态下的负载限制。

ACPI启动时序

ISL6506和ISL6537A芯片组协同工作，在典型主板的整体启动或睡眠恢复过程中的特定时间窗口内启动关键的ACPI和内存电压。在PCIRST#信号断言为高电平时，总线流量恢复，系统唤醒。芯片组在T3和T4之间将所有ACPI轨调节到规定范围内，确保即使在最小系统时序下，调节器也能从ATX电源获得输入，并且输出轨在PCIRST#断言为高电平时处于调节状态，准备好进行总线流量。

评估板设计

ISL6506电路

ISL6506集成了5VDUAL和3.3VDUAL轨所需的所有ACPI时序、控制和监测功能，同时保持较低的元件数量。选择Vishay Si7840作为N沟道MOSFET通元件，Vishay Si7483作为P沟道MOSFET，是因为它们具有低(r{DS(ON)})和良好的热性能。在选择MOSFET作为通元件时，需要考虑MOSFET的热性能和(r{DS(ON)})，通过计算最大允许温度上升和最大负载电流来确定MOSFET的最大允许功率耗散和最大(r_{DS(ON)})。

ISL6537A电路

• VDDQ_DDR开关调节器：设计用于处理15A连续输出负载，同时保持1.8V电压。为了满足瞬态负载要求，采用了大值电容和陶瓷电容，以降低有效ESR。输出电感设计为使输出轨上的纹波电压约为20mV，同时为了节省物料成本，输入滤波器使用了相同的电感。为了确保系统的稳定性，选择了Type III补偿网络。
• VGMCH开关调节器：通过从3.3V ATX轨降压转换来调节(V_{GMCH})轨。ISL6537A集成了开关调节器的所有控制方面，使用ISL6613驱动同步降压开关调节器的上下MOSFET。选择Vishay的Si7844作为MOSFET，输出电感与VDDQ调节器的输入和输出电感相同，输出电容允许有大量电容，同时将输出纹波最小化到小于40mV。补偿网络为Type III，可实现约30kHz带宽的稳定系统。
• LDO调节器：(V{TT})调节器的控制电路和通元件集成在ISL6537A内，除通元件和输出电容外，其他LDO的电路也包含在ISL6537A中。选择Vishay Si7840BDP作为(V{DAC})和(V_{TT}) GMCH/Cpu的通元件，以确保调节器能够提供足够的负载。对于所有LDO，选择输出电容以保持稳定的输出轨，同时最小化负载瞬变引起的电压波动。
• Grantsdale VDAC时序电路：Grantsdale芯片组对(V{DAC})轨相对于(V{GMCH})轨的启动和关机时序有特殊要求。评估板上的电路可在(V{GMCH})和(V{DAC})轨之间保持0.7V的差值，直到(V{DAC})轨软启动。在进入睡眠状态时，该电路会立即放电(V{DAC})轨，允许(V_{GMCH})轨放电。

评估板性能

开关调节器纹波电压

通过测量(V{DDQ})和(V{GMCH})输出的纹波电压，可以评估开关调节器的性能。

瞬态性能

在不同的瞬态负载下，评估板的输出表现良好。例如，VDDQ_DDR调节器对瞬态负载的响应迅速，能够将输出电压快速恢复到调节范围内。VTT_DDR轨在源电流和灌电流时，VDDQ_DDR轨会有明显反应，但VTT_DDR轨受到的影响相对较小，这是因为线性调节器（VTT_DDR）的响应速度比开关调节器（VDDQ_DDR）快。

故障保护

通过对不同轨进行短路测试，可以观察到系统对故障的响应，确保系统在出现故障时能够及时保护。

效率

在S0状态下，测量VDDQDDR和(V{GMCH})开关调节器的效率。由于其他调节输出通过线性调节获得，其效率未显示。

评估板定制

设计师可以根据不同的需求对ISL6537A_6506EVAL1Z评估板进行定制，例如修改输入和输出电感、电容，调整过流跳闸点，改变软启动配置，更换MOSFET封装，绕过ISL6506控制，修改输出电压等。

总之，ISL6537A_6506EVAL1Z评估板为设计师提供了一个多功能的平台，帮助他们全面了解ISL6506和ISL6537A芯片组在ACPI兼容系统中的功能，同时也具有足够的灵活性，允许设计师根据不同需求进行修改。你在实际应用中是否遇到过类似的电源设计问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。