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1、1Diretto PWM 工作原理分析Edit By Gemi 2004.7Confidential Document2Power On瞬間VID、Vcore的產(chǎn)生時(shí)序ATX POWERProcessor Voltage RegulatorProcessorVCCVID Voltage RegulatorVID_PWRGD Generation LogicLogicVoltage InEnable InVCCVIDDelay1msVID_PWRGDVID0:5VCORE圖(一)圖(一)Confidential Document3n在學(xué)習(xí)之前首先應(yīng)了解一下一些關(guān)健的述語和IC的工作原理,這些資料

2、可參看相關(guān)IC的Datasheet,Diretto遵循Intel發(fā)布的VRM 10.0規(guī)範(fàn),該規(guī)範(fàn)具體描述如下:n圖一中顯示了整個(gè)P4架構(gòu)的電源供應(yīng)時(shí)序,所有電源供應(yīng)起始於System Power Supply (ATX),當(dāng)觸發(fā)主機(jī)板的PWRBTN#信號(hào)後,ATX POWER 供出數(shù)組電源。當(dāng)3V電源和EN信號(hào)供給VCCVID Voltage Regulator後,該Regulator將立即供出VCCVID電壓1.2V,在經(jīng)進(jìn)110MS的延時(shí)後,該Regulator供出VID_PWRGD信號(hào),以通知Processor Voltage Regulator可以根據(jù)Processor發(fā)出的VID0

3、:5組合送出相應(yīng)的Vcore電壓。當(dāng)CPU的工作條件滿足後,就開始做第一個(gè)尋址動(dòng)作。n實(shí)際上到這個(gè)裡整個(gè)上電及初始化過程已經(jīng)講述的非常清楚,但也衹是粗略的的描述了整個(gè)過程,並且這裡衹是VRM 10.0規(guī)範(fàn)的一部分。Confidential Document4Output Volgate vs.VID Code圖(二)圖(二)Confidential Document5n圖二為VRM 10.0的另一個(gè)重要部分,該表格主要向我們講述了信號(hào)VID0:5的不同組合,對(duì)應(yīng)不同的CPU Vcore電壓。由該表格可以得知,VRM 10.0的Vcore電壓範(fàn)圍從0.8375V1.6V,每個(gè)Step為0.012

4、5V,共有74個(gè)組合。其中第一種組合非常特別,該組VID4:0均為1,VID5為X,送出Vcore為0V,也就是說衹要VID4:0為1,不管VID5為0或1,送出的Vcore都為0V。 n可以參考一下VID部分線路圖,從線路圖中可以了解到VID5:0均有Pull-High電阻接于3V, 即表示在缺省狀態(tài)下(無 CPU) VID5:0均為High, 也就是說所有CPU VID5:0組合中至少有一個(gè)VID信號(hào)為0,當(dāng)VID4:0均為1時(shí),即表示無CPU。n在對(duì)VRM 10.0的規(guī)範(fàn)有所了解後,開始對(duì)整個(gè)主機(jī)板的電源供電時(shí)序進(jìn)一步分析,現(xiàn)以Diretto機(jī)種為例作為分析對(duì)象。Confidential

5、 Document6圖(三)圖(三)Confidential Document7n圖三為VCCVID Voltgate Regulator的線路圖,U37為這個(gè)線路圖的核心元件,該元件Pin1為電源Input, Pin2位GND, Pin3位EN控制信號(hào),高電平有效,該腳為High時(shí),Pin5才可輸出,否則無輸出。Pin4位POG信號(hào),該信號(hào)輸出與Pin5 輸出有至少1ms延時(shí),參照一下Pin3(CE) ,Pin4(POG),Pin5(VOUT)之間時(shí)序關(guān)系。圖(四)圖(四)Confidential Document8n由圖四可知,衹有在VEN為Hingh后,VOUT 才開始上升,在VOUT上

6、升到VOUT的90%後,VGOP才開始計(jì)時(shí),並延時(shí)至少1ms後VPG為High。在VOUT降低至VOUT的85%時(shí),VPG輸出為L(zhǎng)ow, 以通知外圍PWM產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作。圖五為RT9181CB的內(nèi)部框圖圖(五)圖(五)Confidential Document9圖(六)圖(六)Confidential Document10n圖六為實(shí)際量測(cè)出的波形,黃色軌跡線(CH1)為VOUT,藍(lán)色軌跡線(CH2)為POG輸出,從圖中可以看到在黃色軌跡線上昇沿之前藍(lán)色軌跡線有一幅度為700mv的毛刺,該毛刺是由於在給Vccvid Voltage Regulator 供電的一瞬間產(chǎn)生。n圖七為測(cè)量到的延時(shí)時(shí)間,從

7、圖中可以看出延時(shí)時(shí)間為1.60ms。符合POG與VOUT延時(shí)至少1ms。Confidential Document11圖(七)圖(七)Confidential Document12圖(八)圖(八)n圖八為測(cè)量出的VCCVID與POG的電壓幅度,均為1.23V。Confidential Document13n為了將電源初始化過程講述的清楚明了,現(xiàn)將電源初始化過程分為以下幾個(gè)過程:nVCCVID的初始化過程的初始化過程nVcore的初始化過程的初始化過程n其它供電的初始化過程其它供電的初始化過程nVCCVID的初始化過程在上面已講述完畢,下面開始講述Vcore的初始化過程。n首先我們來看一下Dir

8、etto的Vcore供電部分的原理圖Confidential Document14圖(九)圖(九)Confidential Document15圖(十)圖(十)Confidential Document16n圖 九、十為為Diretto的Vcore供電原理圖,其主要由以下幾個(gè)部分組成:nPWM控制器ADP3180nMOSFET驅(qū)動(dòng)器ADP3418nUP-MOSFET和 LOW-MOSFETn還有一些其它的無源器件構(gòu)成的反饋電路、濾波電路和過電壓過電流反饋電路。Confidential Document17n首先介紹PWM控制器ADP3180, 下圖為它的TOP VIEW圖Confidentia

9、l Document18n引腳描述:nPin 16:VID0:5 Vcore電壓編碼組合輸入,由CPU決定。nPin 7:回饋返回。nPin 8:該腳連接于內(nèi)部誤差放大器的輸入端,一方面與Pin9構(gòu)成反饋電路用于消除誤差放大器的自身誤差與線路噪聲,另一方面接Vcore反饋電壓,用于偵測(cè)Vcore是否有偏差。nPin 9:內(nèi)部誤差放大器的輸出,該腳與Pin8可構(gòu)成反饋電路,以消除內(nèi)部誤差放大器自身誤差與噪聲,實(shí)際上用于構(gòu)成一個(gè)反饋電路。nPin 10:Power Good Output,此Pin為Open Drain Output。nPin 11:電源Enable Input,當(dāng)把這個(gè)Pin接地

10、時(shí)禁止PWM輸出。nPin 12:Soft-Start延時(shí)。nPin 13:內(nèi)部振蕩器頻率選擇,通過接一個(gè)電阻至地,修改阻值選擇不同的內(nèi)部振蕩頻率。nPin 14:脈波電流的輸入,它通過一個(gè)電阻接VCC電壓來設(shè)定電流。Confidential Document19nPin 15:電流限制設(shè)置點(diǎn),該P(yáng)in通過一個(gè)電阻接地來設(shè)定電流限制的上限。當(dāng)EN Pin為L(zhǎng)ow時(shí)這個(gè)Pin也會(huì)被Pull Down,PWM將停止輸出。nPin 16:偵測(cè)電流參考輸入,該P(yáng)in也是偵測(cè)放大器的正相輸入端。nPin 17:偵測(cè)電流總和點(diǎn),該P(yáng)in是各Phase電流輸入的總和也是偵測(cè)放大器的負(fù)相輸入端。nPin 18

11、:偵測(cè)放大器的輸出端,該腳與Pin17可構(gòu)成反饋電路,以消除內(nèi)部誤差放大器自身誤差與噪聲,實(shí)際上用于構(gòu)成一個(gè)反饋電路。nPin 19:所有信號(hào)的參考地。nPin 2023:電流偵測(cè),內(nèi)部接於過流保護(hù)電路,不使用時(shí)該P(yáng)in不接任何電路。nPin 2427: PWM輸出,該P(yáng)in若不使用時(shí)應(yīng)接地。nPin 28:VCC電源輸入(12V)。Confidential Document20Function Block Diagram(ADP3180)123456789AConfidential Document21n上圖為ADP3180的功能方塊圖,下面將簡(jiǎn)單講述其各個(gè)功能模塊。n1 :為數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊,

12、其作用是把CPU發(fā)出的數(shù)位訊號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)。n2 :為過電流偵測(cè)放大器,其作用偵測(cè)各Phase的電流,看是否有過電流,若有則做相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。n3 :為Error Amplifier,偵測(cè)輸出電壓是否有偏差,若有則做出相應(yīng)的調(diào)整。n4 :為Soft Star功能。n5 :為電流限制功能模塊,當(dāng)有過流時(shí)由它來做出相應(yīng)的控制動(dòng)作。n6 :為Power Good輸出延時(shí)電路。n7 :為電流平配模塊,其作用是平均分配各Phase電流。n8 :為PWM輸出模塊。n9 :為ShutDown控制電路和偏置提供電路。nA :為振蕩器控制模塊,提供所需的三角波。Confidential Document

13、22n相數(shù)的選擇相數(shù)的選擇:ADP3180可以Support四相,它可以設(shè)計(jì)成2相、3相或4相?,F(xiàn)在的P4機(jī)板通常使用三相電源,不管使用幾相電源技術(shù),CPU的所需電流是一定的,各相提供的電流也是相同的,若使用的相數(shù)越少,則各相所承擔(dān)的電流就越大,相應(yīng)的發(fā)熱量就越大。也就是說通過增加相數(shù)可以減少發(fā)熱量,降低溫度。對(duì)於Diretto機(jī)種它采用三相電源技術(shù)。nMaster Clock Frequency:ADP3180可以通過在RT Pin與GND之間相接一顆電阻來調(diào)節(jié)它所需要的主頻。每相的頻率是主頻除以相應(yīng)的相數(shù),若為3相則主頻除以3,相應(yīng)的4相則除以4。若使用3相,則不使用的PWM4就必需接地。

14、n下圖為RT vs. Master Clock的曲線圖,RT的阻值越大,Master Clock則越小。Confidential Document23Master Clock Frequency vs. RTConfidential Document24nSoft Start :其功能是為了保證當(dāng)PWRGD信號(hào)發(fā)給系統(tǒng)時(shí),輸出電壓Vout已達(dá)到VID所規(guī)定的電壓。在上電時(shí)輸出電壓的上昇時(shí)間通過在Delay Pin並接一顆電阻和電容到GND來決定。當(dāng)UVLO和EN為L(zhǎng)ow時(shí),Delay Pin在內(nèi)部被接地,當(dāng)UVLO達(dá)到一定值並且EN為High時(shí),ADP3180內(nèi)部一個(gè)20A的電流源對(duì)Delay

15、 Pin的電容進(jìn)行充電,輸出電壓隨著Delay Pin電壓而上昇,這樣就限制峰湧電流。當(dāng)PWRGD上昇到一定電壓時(shí),Soft Start Cycle停止並且Delay Pin被Pull High到3V。n反饋網(wǎng)絡(luò):主要有兩個(gè)部分組成ZFB和ZIN (如下圖所示),其中ZFB有C1、C2和R2組成,ZIN有R1、R2和C3組成。ZFB連接在COMP和FB之間,Comp為Error Amplifier的輸出端,F(xiàn)B為Error Amplifier的反相輸入端,其作用是消除運(yùn)放自身的誤差。ZIN連接在Vout與FB之間,其作用是把Vout反饋到Error Amplifer 的反相輸入端FB再與Err

16、or Amplifer的正相輸入端REF做比較,來對(duì)Vout的變化做相應(yīng)的調(diào)整。Confidential Document25Voltage Mode Buck Converter Compensation DesignConfidential Document26n電流限制、Latch-Off和短路保護(hù): ADP3180可以設(shè)定它的過電流上限值,它通過在ILimit Pin串接一顆電阻到GND來實(shí)現(xiàn)。在ADP3180中內(nèi)部集成一個(gè)的名叫Current Sense Amplifier (CSA)的模塊,CSA在ADP3180外部的信號(hào)有三個(gè)分別是CSREF、CSSUM和CSCOMP,CSREF

17、連接到Vcore,CSSUM則是各個(gè)Phase電流的總和,CSCOMP是CSA的輸出它和CSSUM構(gòu)成一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)主要用於消除CSA本身的誤差。當(dāng)CSA偵測(cè)的電流達(dá)到它設(shè)定的過電流上限時(shí),DELAY Pin的3V Pull Up電壓被斷開,此Pin外接的電容將會(huì)對(duì)與它並連的電阻進(jìn)放電。此時(shí),ADP3180內(nèi)部的比較器會(huì)對(duì)Delay Pin的電壓進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)Delay Pin的電壓降到1.8V以下時(shí),控制器就會(huì)被關(guān)閉。Delay Pin的電壓由3V降到1.8V的這段時(shí)間我們稱為L(zhǎng)atch-Off Delay Time,這個(gè)時(shí)間大小是由RC的大小來決定的。由於在Latch-Off Delay Ti

18、me這段時(shí)間裡控制器還在繼續(xù)工作,如果此時(shí)短路現(xiàn)象被恢復(fù),控制器又能恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。Confidential Document27n多相電源的電流平配:在開始講解多相電源的平衡術(shù)前,先講解多相電源的工作及配合情況,先看下面的幾張圖:圖(A)Confidential Document28圖(B)圖(C)Confidential Document29n上圖(A)為四相電源的Gate極波形圖,圖(B)為三相電源的PWM1與PWM2的波形圖,圖(C)為三相電源的PWM1與PWM3的波形圖。在ADP3180內(nèi)部有一振蕩器,並有一個(gè)RT信號(hào)來決定振蕩頻率,那麼每一相的工作頻率均相同,並且直接由振蕩器來

19、決定,那麼由誰來決定脈衝的佔(zhàn)空比呢?當(dāng)然是由電壓反饋輸入的誤差放大器來決定,講到這裡整個(gè)PWM控制似乎已很完美了,但因?yàn)槭嵌嘞嚯娫吹呐浜瞎ぷ?,各相的配合過程仍然是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié),並且各相的電流分配必須是平衡的,否則,若某一相電流過大,超出一定範(fàn)圍並長(zhǎng)期工作,則該相電源將會(huì)崩潰,接著一相一相的崩潰,整個(gè)系統(tǒng)將無法正常工作。由此看來各相電源的配合是非常重要的環(huán)節(jié)。n在振蕩頻率選定工作頻率後,各相的工作頻率相應(yīng)的被確定下來,一個(gè)周期為360度,假設(shè)有三相電源供電,則每項(xiàng)衹需工作360度除以3,即120度,Mosfet在極限的狀態(tài)下輸出的脈衝寬度也僅為120度。因此,PWM1的工作空間為0120度

20、,PWM2的工作空間為120240度,PWM3的工作空間為240360度。由此可以推算出多相電源輸出的總頻率為振蕩器頻率FS相數(shù)N。Confidential Document30nADP3180要求不使用的PWM控制信號(hào)需接地,相應(yīng)地SW則懸空不用,以告知PW控制器該組PWM不使用。n前面以講過了PWM控制器具有電流偵測(cè)和過流保護(hù)功能,電流平衡原理也是利用到了電流偵測(cè)功能,實(shí)際上它是取多相電源電流的平均值與當(dāng)前各相偵測(cè)到的電流進(jìn)行比較,然後與比較的結(jié)果差值來決定對(duì)各相進(jìn)行平衡,由此多相電流平衡即可以實(shí)現(xiàn)。n到此ADP3180的基本功能已講解完畢,實(shí)際上ADP3180衹是控制分部,其驅(qū)動(dòng)Mosf

21、et的開與關(guān)是由ADP3418來完成的。接下來我們將要講解它的驅(qū)動(dòng)部分ADP3418。Confidential Document31n下面我們將對(duì)ADP3418的功能作一介紹,首先先看一下它的Top View和Function Block Diagram。Top ViewFunction Block DiagramConfidential Document32n各腳位的功能介紹:各腳位的功能介紹:nBST:為上位Mosfet的Gate極提供一個(gè)可變的驅(qū)動(dòng)電壓,通過與SW串接一顆電容的方法來實(shí)現(xiàn)。電容的大小一般為100nF1F。nIN:PWM信號(hào)的輸入,這個(gè)信號(hào)由主控制器ADP3180輸出。nO

22、D:Output Disable,當(dāng)OD為L(zhǎng)ow時(shí),DRVH和DRVL輸出為L(zhǎng)ow。nVCC:芯片電源輸入,用一顆1F的陶瓷電容連接到PGND達(dá)到穩(wěn)壓旁路的作用。nDRVL:驅(qū)動(dòng)Low Side Mosfet。nPGND:電源地。nSW:即Phase,連接點(diǎn)靠近High Side Mosfet的Source極,用來偵測(cè)Phase的High-Low變化過程,防止DRVH沒有關(guān)閉時(shí)就把DRVL打開。nDRVH:驅(qū)動(dòng)High Side Mosfet。Confidential Document33n我們先看一下High Side與Low Side部分的切換圖:Confidential Document34n我們來仔細(xì)看一下上面兩張圖n第一張:IN由Low to High時(shí),DRVL先拉Low,然後DRVH再拉High,它們之間並不是同步動(dòng)作的,而是存在一定的時(shí)間差。n第二張:IN由H

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