PWM工作原理详解

1DirettoPWM工作原理分析EditByGemi2004.7ConfidentialDocument2PowerOn瞬間VID、Vcore的產生時序ATXPOWERProcessorVoltageRegulatorProcessorVCCVIDVoltageRegulatorVID_PWRGDGenerationLogicLogicVoltageInEnableInVCCVIDDelay1msVID_PWRGDVID[0:5]VCORE圖（一）ConfidentialDocument3在學習之前首先應了解一下一些關健的述語和IC的工作原理，這些資料可參看相關IC的Datasheet，Diretto遵循Intel發布的VRM10.0規範，該規範具體描述如下：圖一中顯示了整個P4架構的電源供應時序，所有電源供應起始於SystemPowerSupply(ATX)，當觸發主機板的PWRBTN#信號後，ATXPOWER供出數組電源。當＋3V電源和EN信號供給VCCVIDVoltageRegulator後，該Regulator將立即供出VCCVID電壓1.2V，在經進1～10MS的延時後，該Regulator供出VID_PWRGD信號，以通知ProcessorVoltageRegulator可以根據Processor發出的VID[0:5]組合送出相應的Vcore電壓。當CPU的工作條件滿足後，就開始做第一個尋址動作。實際上到這個裡整個上電及初始化過程已經講述的非常清楚，但也衹是粗略的的描述了整個過程，並且這裡衹是VRM10.0規範的一部分。ConfidentialDocument4OutputVolgatevs.VIDCode圖（二）ConfidentialDocument5圖二為VRM10.0的另一個重要部分，該表格主要向我們講述了信號VID[0:5]的不同組合，對應不同的CPUVcore電壓。由該表格可以得知，VRM10.0的Vcore電壓範圍從0.8375V～1.6V，每個Step為0.0125V，共有74個組合。其中第一种组合非常特别，该组VID[4:0]均为1，VID[5]為X，送出Vcore為0V,也就是說衹要VID[4:0]為1，不管VID[5]為0或1，送出的Vcore都為0V。可以參考一下VID部分線路圖，从线路图中可以了解到VID[5:0]均有Pull-High电阻接于＋3V,即表示在缺省状态下(無CPU)VID[5:0]均为High,也就是說所有CPUVID[5:0]组合中至少有一个VID信号為0，當VID[4:0]均為1時，即表示無CPU。在對VRM10.0的規範有所了解後，開始對整個主機板的電源供電時序進一步分析，現以Diretto機種為例作為分析對象。ConfidentialDocument6圖（三）ConfidentialDocument7圖三為VCCVIDVoltgateRegulator的線路圖，U37為這個線路圖的核心元件，该元件Pin1为电源Input,Pin2位GND,Pin3位EN控制信号，高電平有效，该脚為High時，Pin5才可输出，否则無输出。Pin4位POG信号，该信号输出与Pin5输出有至少1ms延时，参照一下Pin3(CE),Pin4(POG),Pin5(VOUT)之间时序关系。圖（四）ConfidentialDocument8由圖四可知，衹有在VEN为Hingh后，VOUT才开始上升，在VOUT上升到VOUT的90%後，VGOP才開始計時，並延時至少1ms後VPG為High。在VOUT降低至VOUT的85%时，VPG输出为Low,以通知外圍PWM產生相應動作。圖五為RT9181CB的內部框圖圖（五）ConfidentialDocument9圖（六）ConfidentialDocument10圖六為實際量測出的波形，黃色軌跡線(CH1)為VOUT,藍色軌跡線(CH2)為POG輸出，從圖中可以看到在黄色軌跡線上昇沿之前蓝色軌跡線有一幅度為700mv的毛刺，该毛刺是由於在給VccvidVoltageRegulator供電的一瞬間產生。圖七為测量到的延時時間，从圖中可以看出延時時间為1.60ms。符合POG与VOUT延時至少1ms。ConfidentialDocument11圖（七）ConfidentialDocument12圖（八）圖八為測量出的VCCVID與POG的電壓幅度，均為1.23V。ConfidentialDocument13為了將電源初始化過程講述的清楚明了，現將電源初始化過程分為以下幾個過程：VCCVID的初始化過程Vcore的初始化過程其它供電的初始化過程VCCVID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。首先我們來看一下Diretto的Vcore供電部分的原理圖ConfidentialDocument14圖（九）ConfidentialDocument15圖（十）ConfidentialDocument16圖九、十為為Diretto的Vcore供電原理圖，其主要由以下幾個部分組成：PWM控制器ADP3180MOSFET驅動器ADP3418UP-MOSFET和LOW-MOSFET還有一些其它的無源器件構成的反饋電路、濾波電路和過電壓過電流反饋電路。ConfidentialDocument17首先介紹PWM控制器ADP3180,下圖為它的TOPVIEW圖ConfidentialDocument18引腳描述：Pin1~6：VID[0:5]Vcore電壓編碼組合輸入，由CPU決定。Pin7：回饋返回。Pin8：该脚连接于内部误差放大器的输入端，一方面与Pin9构成反馈电路用于消除误差放大器的自身误差与线路噪声，另一方面接Vcore反馈电压，用于侦测Vcore是否有偏差。Pin9：内部误差放大器的输出，该脚与Pin8可构成反馈电路，以消除内部误差放大器自身误差与噪声，实际上用于构成一个反馈电路。Pin10：PowerGoodOutput，此Pin為OpenDrainOutput。Pin11：電源EnableInput，當把這個Pin接地時禁止PWM輸出。Pin12：Soft-Start延時。Pin13：内部振荡器频率选择，通过接一个电阻至地，修改阻值选择不同的内部振荡频率。Pin14：脈波電流的輸入，它通過一個電阻接VCC電壓來設定電流。ConfidentialDocument19Pin15：電流限制設置點，該Pin通過一個電阻接地來設定電流限制的上限。當ENPin為Low時這個Pin也會被PullDown，PWM將停止輸出。Pin16：偵測電流參考輸入，該Pin也是偵測放大器的正相輸入端。Pin17：偵測電流總和點，該Pin是各Phase電流輸入的總和也是偵測放大器的負相輸入端。Pin18：偵測放大器的輸出端，该脚与Pin17可构成反馈电路，以消除内部误差放大器自身误差与噪声，实际上用于构成一个反馈电路。Pin19：所有信號的參考地。Pin20~23：電流侦测，内部接於过流保护電路，不使用時該Pin不接任何電路。Pin24~27:PWM輸出，該Pin若不使用時應接地。Pin28：VCC電源輸入（＋12V）。ConfidentialDocument20FunctionBlockDiagram(ADP3180)123456789AConfidentialDocument21上圖為ADP3180的功能方塊圖，下面將簡單講述其各個功能模塊。1：為數模轉換模塊，其作用是把CPU發出的數位訊號轉換成相應的模擬信號。2：為過電流偵測放大器，其作用偵測各Phase的電流，看是否有過電流，若有則做相應的保護動作。3：為ErrorAmplifier，偵測輸出電壓是否有偏差，若有則做出相應的調整。4：為SoftStar功能。5：為電流限制功能模塊，當有過流時由它來做出相應的控制動作。6：為PowerGood輸出延時電路。7：為電流平配模塊，其作用是平均分配各Phase電流。8：為PWM輸出模塊。9：為ShutDown控制電路和偏置提供電路。A：為振蕩器控制模塊，提供所需的三角波。ConfidentialDocument22相數的選擇：ADP3180可以Support四相，它可以設計成2相、3相或4相。現在的P4機板通常使用三相電源，不管使用幾相電源技術，CPU的所需電流是一定的，各相提供的電流也是相同的，若使用的相數越少，則各相所承担的電流就越大，相應的發熱量就越大。也就是說通過增加相數可以減少發熱量，降低溫度。對於Diretto機種它采用三相電源技術。MasterClockFrequency：ADP3180可以通過在RTPin與GND之間相接一顆電阻來調節它所需要的主頻。每相的頻率是主頻除以相應的相數，若為3相則主頻除以3，相應的4相則除以4。若使用3相，則不使用的PWM4就必需接地。下圖為RTvs.MasterClock的曲線圖，RT的阻值越大，MasterClock則越小。ConfidentialDocument23MasterClockFrequencyvs.RTConfidentialDocument24SoftStart:其功能是為了保證當PWRGD信號發給系統時，輸出電壓Vout已達到VID所規定的電壓。在上電時輸出電壓的上昇時間通過在DelayPin並接一顆電阻和電容到GND來決定。當UVLO和EN為Low時，DelayPin在內部被接地，當UVLO達到一定值並且EN為High時，ADP3180內部一個20µA的電流源對DelayPin的電容進行充電，輸出電壓隨著DelayPin電壓而上昇，這樣就限制峰湧電流。當PWRGD上昇到一定電壓時，SoftStartCycle停止並且DelayPin被PullHigh到3V。反饋網絡：主要有兩個部分組成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ErrorAmplifier的輸出端，FB為ErrorAmplifier的反相輸入端，其作用是消除運放自身的誤差。ZIN連接在Vout與FB之間，其作用是把Vout反饋到ErrorAmplifer的反相輸入端FB再與ErrorAmplifer的正相輸入端REF做比較，來對Vout的變化做相應的調整。ConfidentialDocument25VoltageModeBuckConverterCompensationDesignConfidentialDocument26電流限制、Latch-Off和短路保護：ADP3180可以設定它的過電流上限值，它通過在ILimitPin串接一顆電阻到GND來實現。在ADP3180中內部集成一個的名叫CurrentSenseAmplifier（CSA）的模塊，CSA在ADP3180外部的信號有三個分別是CSREF、CSSUM和CSCOMP，CSREF連接到Vcore，CSSUM則是各個Phase電流的總和，CSCOMP是CSA的輸出它和CSSUM構成一個反饋網絡主要用於消除CSA本身的誤差。當CSA偵測的電流達到它設定的過電流上限時，DELAYPin的3VPullUp電壓被斷開，此Pin外接的電容將會對與它並連的電阻進放電。此時，ADP3180內部的比較器會對DelayPin的電壓進行監控，當DelayPin的電壓降到1.8V以下時，控制器就會被關閉。DelayPin的電壓由3V降到1.8V的這段時間我們稱為Latch-OffDelayTime，這個時間大小是由RC的大小來決定的。由於在Latch-OffDelayTime這段時間裡控制器還在繼續工作，如果此時短路現象被恢復，控制器又能恢復到正常工作狀態。ConfidentialDocument27多相電源的電流平配：在開始講解多相電源的平衡術前，先講解多相電源的工