嵌入式ACPI兼容DDR電源生成方案：ISL6537A與ISL6506的應(yīng)用解析

在計算機系統(tǒng)的電源設(shè)計中，滿足ACPI（高級配置與電源接口）標(biāo)準(zhǔn)對于實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源管理至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討一下Intersil公司的ISL6537A與ISL6506芯片組合，如何為具有雙通道DDRI、DDRII或DDRIII內(nèi)存系統(tǒng)的計算機提供完整的ACPI兼容電源解決方案。

文件下載：ISL6537A-6506EVAL1Z.pdf

芯片功能概述

ISL6537A

ISL6537A是一款功能強大的芯片，它包含一個同步降壓控制器，能夠在S0/S1（運行）狀態(tài)下為VDDQ_DDR提供高電流，在S3（掛起到內(nèi)存）狀態(tài)下提供待機電流。在運行模式下，一個完全集成的灌/拉式調(diào)節(jié)器可生成精確的（VDDQ_DDR/2）高電流VTT_DDR電壓，并提供VDDQ_DDR/2參考的緩沖版本作為VREFDDR。此外，它還具有一個PWM控制器，與外部柵極驅(qū)動IC配合，調(diào)節(jié)(V{GMCH})，以及兩個LDO控制器，用于調(diào)節(jié)VDAC和VTT_GMCH/CPU。

ISL6506

ISL6506主要控制5VDUAL和3.3VDUAL軌，有三個版本可供選擇，具體版本取決于5VDUAL在S4/S5狀態(tài)下是否需要保持激活。

快速啟動評估

ISL6537A_6506EVAL1Z評估板開箱即用，支持使用ATX電源進行測試。該評估板的七個輸出都可以通過外部負(fù)載進行測試，其中VDDQ和VTT調(diào)節(jié)器既能源電流也能灌電流，而其他輸出只能源電流。評估板上還設(shè)有用于加載負(fù)載和監(jiān)測電壓的接口，以及18個單獨標(biāo)記的探測點，為設(shè)計師提供了便利。此外，板上的兩個開關(guān)可用于模擬ACPI信號，生成SLP_S3和SLP_S5信號。

推薦測試設(shè)備

為了全面測試ISL6537A和ISL6506的功能，建議使用以下設(shè)備：

• 最小160W配置的ATX電源
• 多個電子負(fù)載
• 帶探頭的四通道示波器
• 精密數(shù)字萬用表

由于有七個調(diào)節(jié)軌，同時測試和監(jiān)測所有軌比較困難，用戶可以考慮使用離散電阻負(fù)載和電子負(fù)載相結(jié)合的方式。電子負(fù)載因其能夠施加多種不同的負(fù)載水平和負(fù)載瞬變，從而實現(xiàn)更廣泛的分析，所以更受青睞。

電路設(shè)置

開關(guān)設(shè)置

確保S3開關(guān)處于ACTIVE位置，S5開關(guān)處于S5位置，這樣在初始上電時，評估板將進入睡眠狀態(tài)。

連接ATX電源

將ATX電源的20針連接器插入評估板的20針插座J1。如果ATX電源有主AC開關(guān)，在施加AC電壓之前，應(yīng)將其關(guān)閉。

連接負(fù)載

根據(jù)評估板上的電源、接地和信號連接點，按照不同軌的要求連接電子負(fù)載。需要注意的是，VTT_DDR是從VDDQ_DDR軌級聯(lián)而來，VTT_GMCH/CPU是從VGMCH軌級聯(lián)而來，任何級聯(lián)軌的負(fù)載都會成為提供輸入的軌的負(fù)載，在加載之前必須考慮這一點。

操作步驟

給評估板供電

將ATX電源插入市電，如果電源有AC開關(guān)，打開它。當(dāng)S3和S5開關(guān)分別處于ACTIVE和S5位置時，評估板將處于S5睡眠狀態(tài)，此時板上的電壓為ATX提供的5VSBY和ISL6506控制的3VDUAL。將S5開關(guān)切換到ACTIVE位置，評估板將進入S0狀態(tài)，所有輸出應(yīng)正常啟動。

檢查啟動波形和不同負(fù)載下的輸出質(zhì)量

在進入S0狀態(tài)后，啟動立即開始。使用示波器或其他實驗室設(shè)備，可以研究輸出的上升和調(diào)節(jié)情況?？梢酝ㄟ^電子負(fù)載或離散功率電阻來加載輸出。

參考設(shè)計

總體設(shè)計

ISL6537A_6506EVAL1Z評估板展示了ISL6537A和ISL6506在嵌入式ACPI和DDR DRAM內(nèi)存電源應(yīng)用中的操作。VDDQ_DDR電源設(shè)計為在最大負(fù)載15A時提供1.8V電壓，VTT_DDR終端電源將在源電流或灌電流時跟蹤VDDQDDR電源的50%。第二個PWM控制器設(shè)計為在1.5V時為(V{GMCH})提供高達10A的電流，而單級LDO為VDAC提供2.5V電壓，為VTT_GMCH/CPU提供1.2V電壓。

電源啟動和狀態(tài)轉(zhuǎn)換

• 睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換：ISL6537A和ISL6506支持多種狀態(tài)轉(zhuǎn)換，包括冷啟動（S5到S0狀態(tài)轉(zhuǎn)換）、活動到睡眠（S0到S3轉(zhuǎn)換）、睡眠到活動（S3到S0轉(zhuǎn)換）以及活動到關(guān)機（S0到S5轉(zhuǎn)換）。通過不同的開關(guān)位置可以實現(xiàn)相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
• 初始上電 - 冷啟動：在給ATX電源施加AC電源之前，將S3和S5開關(guān)都切換到ACTIVE位置，當(dāng)ATX電源的5VSBY軌上電后，評估板將立即進入S0狀態(tài)。
• S5睡眠狀態(tài)到S0狀態(tài)轉(zhuǎn)換：在給ATX電源施加AC電源之前，將S5開關(guān)切換到S5位置，當(dāng)5VSBY軌上電后，評估板將進入S5睡眠狀態(tài)。將S5開關(guān)切換到ACTIVE位置，評估板將從S5狀態(tài)轉(zhuǎn)換到S0狀態(tài)。
• S0到S3睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換：將S3開關(guān)切換到S3位置，可實現(xiàn)從S0狀態(tài)到S3睡眠狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中，需要將VDDQ_DDR軌上的負(fù)載降低到5VDUAL軌能夠支持的水平，否則VDDQ_DDR電壓可能會崩潰。
• S3到S0狀態(tài)轉(zhuǎn)換：將S3開關(guān)返回到ACTIVE位置，可實現(xiàn)從S3睡眠狀態(tài)到S0狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。一旦PGOOD信號被斷言，VDDQ_DDR軌可以加載超過5VDUAL在S3狀態(tài)下的負(fù)載限制。

ACPI啟動時序

ISL6506和ISL6537A芯片組協(xié)同工作，在典型主板的整體啟動或睡眠恢復(fù)過程中的特定時間窗口內(nèi)啟動關(guān)鍵的ACPI和內(nèi)存電壓。在PCIRST#信號斷言為高電平時，總線流量恢復(fù)，系統(tǒng)喚醒。芯片組在T3和T4之間將所有ACPI軌調(diào)節(jié)到規(guī)定范圍內(nèi)，確保即使在最小系統(tǒng)時序下，調(diào)節(jié)器也能從ATX電源獲得輸入，并且輸出軌在PCIRST#斷言為高電平時處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，準(zhǔn)備好進行總線流量。

評估板設(shè)計

ISL6506電路

ISL6506集成了5VDUAL和3.3VDUAL軌所需的所有ACPI時序、控制和監(jiān)測功能，同時保持較低的元件數(shù)量。選擇Vishay Si7840作為N溝道MOSFET通元件，Vishay Si7483作為P溝道MOSFET，是因為它們具有低(r{DS(ON)})和良好的熱性能。在選擇MOSFET作為通元件時，需要考慮MOSFET的熱性能和(r{DS(ON)})，通過計算最大允許溫度上升和最大負(fù)載電流來確定MOSFET的最大允許功率耗散和最大(r_{DS(ON)})。

ISL6537A電路

• VDDQ_DDR開關(guān)調(diào)節(jié)器：設(shè)計用于處理15A連續(xù)輸出負(fù)載，同時保持1.8V電壓。為了滿足瞬態(tài)負(fù)載要求，采用了大值電容和陶瓷電容，以降低有效ESR。輸出電感設(shè)計為使輸出軌上的紋波電壓約為20mV，同時為了節(jié)省物料成本，輸入濾波器使用了相同的電感。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選擇了Type III補償網(wǎng)絡(luò)。
• VGMCH開關(guān)調(diào)節(jié)器：通過從3.3V ATX軌降壓轉(zhuǎn)換來調(diào)節(jié)(V_{GMCH})軌。ISL6537A集成了開關(guān)調(diào)節(jié)器的所有控制方面，使用ISL6613驅(qū)動同步降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器的上下MOSFET。選擇Vishay的Si7844作為MOSFET，輸出電感與VDDQ調(diào)節(jié)器的輸入和輸出電感相同，輸出電容允許有大量電容，同時將輸出紋波最小化到小于40mV。補償網(wǎng)絡(luò)為Type III，可實現(xiàn)約30kHz帶寬的穩(wěn)定系統(tǒng)。
• LDO調(diào)節(jié)器：(V{TT})調(diào)節(jié)器的控制電路和通元件集成在ISL6537A內(nèi)，除通元件和輸出電容外，其他LDO的電路也包含在ISL6537A中。選擇Vishay Si7840BDP作為(V{DAC})和(V_{TT}) GMCH/Cpu的通元件，以確保調(diào)節(jié)器能夠提供足夠的負(fù)載。對于所有LDO，選擇輸出電容以保持穩(wěn)定的輸出軌，同時最小化負(fù)載瞬變引起的電壓波動。
• Grantsdale VDAC時序電路：Grantsdale芯片組對(V{DAC})軌相對于(V{GMCH})軌的啟動和關(guān)機時序有特殊要求。評估板上的電路可在(V{GMCH})和(V{DAC})軌之間保持0.7V的差值，直到(V{DAC})軌軟啟動。在進入睡眠狀態(tài)時，該電路會立即放電(V{DAC})軌，允許(V_{GMCH})軌放電。

評估板性能

開關(guān)調(diào)節(jié)器紋波電壓

通過測量(V{DDQ})和(V{GMCH})輸出的紋波電壓，可以評估開關(guān)調(diào)節(jié)器的性能。

瞬態(tài)性能

在不同的瞬態(tài)負(fù)載下，評估板的輸出表現(xiàn)良好。例如，VDDQ_DDR調(diào)節(jié)器對瞬態(tài)負(fù)載的響應(yīng)迅速，能夠?qū)⑤敵鲭妷嚎焖倩謴?fù)到調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。VTT_DDR軌在源電流和灌電流時，VDDQ_DDR軌會有明顯反應(yīng)，但VTT_DDR軌受到的影響相對較小，這是因為線性調(diào)節(jié)器（VTT_DDR）的響應(yīng)速度比開關(guān)調(diào)節(jié)器（VDDQ_DDR）快。

故障保護

通過對不同軌進行短路測試，可以觀察到系統(tǒng)對故障的響應(yīng)，確保系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時能夠及時保護。

效率

在S0狀態(tài)下，測量VDDQDDR和(V{GMCH})開關(guān)調(diào)節(jié)器的效率。由于其他調(diào)節(jié)輸出通過線性調(diào)節(jié)獲得，其效率未顯示。

評估板定制

設(shè)計師可以根據(jù)不同的需求對ISL6537A_6506EVAL1Z評估板進行定制，例如修改輸入和輸出電感、電容，調(diào)整過流跳閘點，改變軟啟動配置，更換MOSFET封裝，繞過ISL6506控制，修改輸出電壓等。

總之，ISL6537A_6506EVAL1Z評估板為設(shè)計師提供了一個多功能的平臺，幫助他們?nèi)媪私釯SL6506和ISL6537A芯片組在ACPI兼容系統(tǒng)中的功能，同時也具有足夠的靈活性，允許設(shè)計師根據(jù)不同需求進行修改。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似的電源設(shè)計問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。