深入剖析ISL62883/ISL62883B：多相PWM調(diào)節(jié)器的卓越之選

在現(xiàn)代電子設(shè)備中，為微處理器提供穩(wěn)定且高效的電源是至關(guān)重要的。今天，我們將深入探討瑞薩（RENESAS）的ISL62883和ISL62883B多相PWM調(diào)節(jié)器，這兩款產(chǎn)品專為IMVP - 6.5?移動CPU設(shè)計，具有諸多出色特性。

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產(chǎn)品概述

ISL62883是一款用于微處理器核心電源的多相PWM降壓調(diào)節(jié)器。它采用交錯相位技術(shù)，通過讓每一相承擔(dān)部分總負(fù)載電流，有效降低了總輸出電壓紋波。這種設(shè)計不僅提升了系統(tǒng)性能，還優(yōu)化了熱管理，降低了組件成本和功耗，同時減小了實現(xiàn)面積。ISL62883集成了兩個柵極驅(qū)動器，并可搭配一個外部柵極驅(qū)動器，提供了完整的解決方案。其PWM調(diào)制器基于Intersil的Robust Ripple Regulator（(R^{3})）技術(shù)?，相比傳統(tǒng)調(diào)制器，在負(fù)載瞬變期間可實現(xiàn)可變開關(guān)頻率，從而獲得更快的瞬態(tài)響應(yīng)。在輕負(fù)載時，開關(guān)頻率降低，提高了調(diào)節(jié)器效率。ISL62883B與ISL62883功能相同，但采用了不同的封裝。

產(chǎn)品特性亮點

精準(zhǔn)的多相核心電壓調(diào)節(jié)

• 高精度：在整個溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)精度可達(dá)0.5%，并增強了負(fù)載線精度，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。
• 靈活的電壓識別：支持7位VID輸入，電壓范圍從0.300V到1.500V，步長為12.5mV，還支持實時VID更改，能根據(jù)不同的工作場景靈活調(diào)整輸出電壓。

多樣的電流傳感方法

• 無損電感DCR電流傳感：利用電感的固有直流電阻進(jìn)行電流傳感，無需額外的傳感電阻，降低了成本和功耗。
• 精密電阻電流傳感：提供了另一種高精度的電流傳感方式，可根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的傳感方法。

出色的性能表現(xiàn)

• 卓越的噪聲抗擾和瞬態(tài)響應(yīng)：能夠有效抵抗噪聲干擾，在負(fù)載變化時迅速做出響應(yīng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 全負(fù)載范圍高效運行：通過優(yōu)化設(shè)計，在整個負(fù)載范圍內(nèi)都能保持較高的效率，降低了能源消耗。
• 可編程的相數(shù)操作：支持1、2或3相操作，可根據(jù)實際負(fù)載需求靈活配置，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性。

豐富的保護(hù)功能

• 過流、過壓、欠壓保護(hù)：實時監(jiān)測輸出電流和電壓，當(dāng)出現(xiàn)異常時及時采取保護(hù)措施，防止設(shè)備損壞。
• 過溫保護(hù)：通過監(jiān)測溫度，當(dāng)溫度過高時發(fā)出信號，提醒系統(tǒng)進(jìn)行熱調(diào)節(jié)，確保設(shè)備在安全的溫度范圍內(nèi)運行。

工作原理詳解

多相(R^{3})調(diào)制器

ISL62883采用的(R^{3})調(diào)制器結(jié)合了固定頻率PWM和滯環(huán)PWM的優(yōu)點，同時克服了它們的一些缺點。在IC內(nèi)部，主時鐘電路為從電路生成時鐘信號。通過一個電流源從VW引腳流向COMP引腳，創(chuàng)建一個由兩個引腳之間電阻設(shè)定的電壓窗口（VW窗口）。主時鐘信號由(C{rm})電壓的變化產(chǎn)生，當(dāng)(C{rm})電壓達(dá)到COMP電壓時，重置為VW電壓并生成一個單脈沖主時鐘信號。相序器將主時鐘信號分配到各個從電路。在不同的相數(shù)模式下，時鐘信號的分配方式不同，如3相模式下，Clock1 - 3信號相差120°；2相模式下，Clock1和Clock2信號相差180°；1相模式下，只有Phase1接收主時鐘信號。每個從電路都有自己的紋波電容(C{rs})，其電壓模擬電感紋波電流。當(dāng)從電路接收到時鐘信號時，開啟PWM脈沖，電流源對(C{rs})充電；當(dāng)(C{rs})電壓達(dá)到VW電壓時，關(guān)閉PWM脈沖，電流源對(C{rs})放電。這種工作方式使得ISL62883比傳統(tǒng)的滯環(huán)模式和固定PWM模式控制器具有更低的相位抖動，并且通過誤差放大器保持了0.5%的輸出電壓精度。

二極管仿真和周期拉伸

ISL62883可以工作在二極管仿真（DE）模式，以提高輕負(fù)載效率。在DE模式下，當(dāng)電流從源極流向漏極時，低側(cè)MOSFET導(dǎo)通，不允許反向電流，模擬二極管的行為。當(dāng)負(fù)載電流較輕時，電感電流在下次相節(jié)點脈沖之前達(dá)到并保持為零，調(diào)節(jié)器進(jìn)入不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）；當(dāng)負(fù)載電流較重時，電感電流不會達(dá)到0A，調(diào)節(jié)器處于連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。在輕負(fù)載的DE模式下，ISL62883通過鉗位紋波電容電壓(V_{crs})，自然地拉伸開關(guān)周期，減少開關(guān)頻率，從而提高輕負(fù)載效率。

啟動時序

當(dāng)控制器的(VDD)電壓高于POR閾值，且VR_ON超過3.3V邏輯高閾值時，啟動序列開始。ISL62883采用數(shù)字軟啟動，以約2.5mV/μs的速率將DAC斜坡上升到1.1V的啟動電壓。一旦輸出電壓在13個PWM周期內(nèi)（對于300kHz頻率為43μs）達(dá)到啟動電壓的10%以內(nèi)，CLK_EN#被拉低，DAC以5mV/μs的速率上升到VID引腳設(shè)定的電壓。大約7ms后，PGOOD被置為高電平。

電壓調(diào)節(jié)和負(fù)載線實現(xiàn)

啟動序列完成后，ISL62883根據(jù)VID輸入將輸出電壓調(diào)節(jié)到設(shè)定值。在0.75V到1.5V的范圍內(nèi)，無負(fù)載輸出電壓的控制精度可達(dá)±0.5%。通過差分放大器進(jìn)行電壓傳感，確保在微處理器管芯處實現(xiàn)精確的電壓調(diào)節(jié)。隨著負(fù)載電流的增加，輸出電壓會根據(jù)負(fù)載線的要求下降，下降量與負(fù)載電流成正比。ISL62883可以通過電感的固有直流電阻（DCR）或與電感串聯(lián)的電阻來感測電感電流，將電容(C_{n})電壓轉(zhuǎn)換為內(nèi)部電流源，用于負(fù)載線實現(xiàn)、電流監(jiān)測和過流保護(hù)。

相電流平衡

ISL62883通過監(jiān)測ISEN1、ISEN2和ISEN3電壓來監(jiān)測各相的平均電流。每個相節(jié)點電壓通過由(R{s})和(C{s})組成的低通濾波器進(jìn)行平均，并呈現(xiàn)給相應(yīng)的ISEN引腳。ISL62883會調(diào)整各相的脈沖寬度，使(V{ISEN1}=V{ISEN2}=V{ISEN3})，從而實現(xiàn)(I{L1}=I{L2}=I{L3})。為了實現(xiàn)良好的電流平衡，建議使用相同的電感組件，并采用對稱的電路板布局，以確保(R{dcr1}=R{dcr2}=R{dcr3})和(R{pcb1}=R{pcb2}=R{pcb3})。在某些情況下，可采用差分傳感電流平衡電路，進(jìn)一步提高電流平衡性能。

關(guān)鍵組件選擇

RBIAS電阻

ISL62883使用一個從RBIAS引腳到GND的電阻來建立IC內(nèi)部的高精度參考電流源。建議使用1%或更好精度的電阻。使用(R{BIAS}=47kΩ)可啟用過沖減少功能，使用(R{BIAS}=147kΩ)則禁用該功能。注意不要在該引腳連接其他組件或電容，以免造成不穩(wěn)定。

(R{is}-C{is})網(wǎng)絡(luò)

為了穩(wěn)定下垂放大器，ISL62883需要在ISUM +和ISUM -引腳之間連接(R{is}-C{is})網(wǎng)絡(luò)。推薦值為(R{is}=82.5Ω)和(C{is}=0.01μF)，輕微的偏差是可以接受的，但較大的偏差可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。

電感DCR電流傳感網(wǎng)絡(luò)

對于電感DCR電流傳感網(wǎng)絡(luò)，每個電感有兩個電阻(R{sum})和(R{0})連接到焊盤，用于準(zhǔn)確感測電感電流。(R{sum})和(R{0})電阻連接成求和網(wǎng)絡(luò)，將總電流信息反饋給NTC網(wǎng)絡(luò)和電容(C{n})。NTC熱敏電阻用于對電感DCR的溫度變化進(jìn)行補償。通過合理選擇(R{sum})、(R{ntcs})、(R{p})和(R{ntc})參數(shù)，可以確保(V{Cn})在感興趣的溫度范圍內(nèi)代表電感總直流電流。同時，需要匹配(A{CS}(s))的極點和零點，使(V{Cn}(s))能夠準(zhǔn)確代表實時的(I_{0}(s))，以實現(xiàn)良好的瞬態(tài)響應(yīng)。

電阻電流傳感網(wǎng)絡(luò)

在電阻電流傳感網(wǎng)絡(luò)中，每個電感有一個串聯(lián)的電流傳感電阻(R{sen})。(R{sum})和(R{0})連接到(R{sen})焊盤，用于準(zhǔn)確采集電感電流信息。(R{sum})和(C{n})形成一個濾波器，用于衰減噪聲。推薦值為(R{sum}=1kΩ)和(C{n}=5600pF)。

過流保護(hù)

電阻(R{i})設(shè)置下垂電流(I{droop})，內(nèi)部OCP閾值可通過從COMP到GND的電阻進(jìn)行調(diào)整。建議在設(shè)計(I{droop})時不使用(R{comp})電阻，先根據(jù)OCP要求縮放(I{droop})，使默認(rèn)OCP閾值接近所需的OCP水平，然后根據(jù)需要使用(R{comp})進(jìn)行微調(diào)。

負(fù)載線斜率

根據(jù)不同的電流傳感方法（電感DCR傳感或電阻傳感），可以通過相應(yīng)的公式計算負(fù)載線斜率。建議根據(jù)滿載條件計算(R_{droop})值，并在實際電路板上進(jìn)行微調(diào)，以獲得準(zhǔn)確的負(fù)載線斜率。同時，需要記錄無負(fù)載和滿載時的輸出電壓讀數(shù)，以計算負(fù)載線斜率。

電流監(jiān)測

IMON引腳輸出一個高速模擬電流源，其值是從FB引腳流出的下垂電流的3倍。通過將一個電阻(R{imon})連接到IMON引腳，可以將IMON引腳電流轉(zhuǎn)換為電壓。可以并聯(lián)一個電容(C{imon})來過濾IMON引腳電壓，時間常數(shù)由用戶選擇，建議選擇足夠長的時間常數(shù)以去除開關(guān)頻率紋波。

補償器

為了使電壓調(diào)節(jié)器（VR）實現(xiàn)恒定的輸出阻抗和穩(wěn)定的系統(tǒng)，需要設(shè)計合適的補償器。Intersil提供了一個基于Microsoft Excel的電子表格，幫助設(shè)計補償器和電流傳感網(wǎng)絡(luò)。該電子表格顯示了兩個環(huán)路增益?zhèn)鬟f函數(shù)T1(s)和T2(s)，分別描述了整個系統(tǒng)的不同方面。T1(s)是電壓環(huán)路和下垂環(huán)路的總環(huán)路增益，對系統(tǒng)穩(wěn)定性更有意義；T2(s)是下垂環(huán)路閉合時的電壓環(huán)路增益，對輸出電壓響應(yīng)更有意義。設(shè)計補償器時，應(yīng)確保T1(s)和T2(s)具有足夠的相位裕度，并且輸出阻抗等于或小于負(fù)載線斜率。

應(yīng)用與性能

典型應(yīng)用電路

文檔中給出了使用DCR傳感和電阻傳感的典型應(yīng)用電路，為工程師提供了實際設(shè)計的參考。這些電路展示了如何將ISL62883與其他組件結(jié)合使用，實現(xiàn)微處理器核心電源的穩(wěn)定供應(yīng)。

典型性能曲線

通過一系列的典型性能曲線，如效率曲線、負(fù)載線曲線、軟啟動波形、關(guān)機波形等，可以直觀地了解ISL62883在不同工作條件下的性能表現(xiàn)。例如，效率曲線顯示了在不同輸入電壓和輸出電流下的效率變化，幫助工程師評估系統(tǒng)的能源效率；負(fù)載線曲線展示了輸出電壓隨負(fù)載電流的變化情況，確保輸出電壓在負(fù)載變化時的穩(wěn)定性。

總結(jié)

ISL62883和ISL62883B多相PWM調(diào)節(jié)器憑借其卓越的性能、豐富的功能和靈活的配置，為微處理器核心電源設(shè)計提供了一個優(yōu)秀的解決方案。無論是在系統(tǒng)性能、熱管理還是成本控制方面，都具有顯著的優(yōu)勢。電子工程師在設(shè)計過程中，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇組件和配置參數(shù)，充分發(fā)揮這兩款調(diào)節(jié)器的性能，打造出高效、穩(wěn)定的電源系統(tǒng)。你在使用ISL62883或ISL62883B的過程中遇到過哪些問題呢？你對它們的性能有什么獨特的見解嗎？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和想法。