pwm 工作原理分析

1、1,Diretto PWM 工作原理分析,Edit By Gemi 2004.7,2,Power On瞬間VID、Vcore的產(chǎn)生時(shí)序,ATX POWER,Processor Voltage Regulator,Processor,VCCVID Voltage Regulator,VID_PWRGD Generation Logic,,,Logic,,,,Voltage In,Enable In,,V

2、CCVID,Delay1ms,,,,,VID_PWRGD,,,,,VID[0:5],VCORE,圖（一）,3,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：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#信號後，A

3、TX POWER 供出數(shù)組電源。當(dāng)＋3V電源和EN信號供給VCCVID Voltage Regulator後，該Regulator將立即供出VCCVID電壓1.2V，在經(jīng)進(jìn)1～10MS的延時(shí)後，該Regulator供出VID_PWRGD信號，以通知Processor Voltage Regulator可以根據(jù)Processor發(fā)出的VID[0:5]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。實(shí)際上

4、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。,4,Output Volgate vs.VID Code,圖（二）,5,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VID[0:5]的不同組合，對應(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0.8375V～1.6V，每個(gè)Step為0.0125V，共有

5、74個(gè)組合。其中第一種組合非常特別，該組VID[4:0]均為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，從線路圖中可以了解到VID[5:0]均有Pull-High電阻接于＋3V, 即表示在缺省狀態(tài)下(無 CPU) VID[5:0]均為High, 也就是說所有CPU VID[5:0]組合中至少有一個(gè)VID信號為0，當(dāng)V

6、ID[4:0]均為1時(shí)，即表示無CPU。在對VRM 10.0的規(guī)範(fàn)有所了解後，開始對整個(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)種為例作為分析對象。,6,圖（三）,7,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，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，

7、該信號輸出與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）,8,由圖四可知，衹有在VEN為Hingh后，VOUT 才開始上升，在VOUT上升到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Low, 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）,9,,圖（

8、六）,10,圖六為實(shí)際量測出的波形，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。圖七為測量到的延時(shí)時(shí)間，從圖中可以看出延時(shí)時(shí)間為1.60ms。符合POG與VOUT延時(shí)至少1ms。,11,,圖（七）,12,,圖（八）,圖八為測量出的VCCVID與POG的

9、電壓幅度，均為1.23V。,13,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：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,14,圖（九）,15,圖（十）,16,圖 九、十為為Diretto的Vcore供電原理圖，其主要由以下幾個(gè)部分

10、組成：PWM控制器ADP3180MOSFET驅(qū)動(dòng)器ADP3418UP-MOSFET和 LOW-MOSFET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。,17,首先介紹PWM控制器ADP3180, 下圖為它的TOP VIEW圖,18,引腳描述：Pin 1~6：VID[0:5] Vcore電壓編碼組合輸入，由CPU決定。Pin 7：回饋返回。Pin 8：該腳連接于內(nèi)部誤差放大器的輸入端，一方

11、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Vcore是否有偏差。Pin 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。Pin 10：Power Good Output，此Pin為Open Drain Output。Pin 11：電源Enable Input，當(dāng)把這個(gè)Pin接地時(shí)禁止PWM輸出。Pi

12、n 12：Soft-Start延時(shí)。Pin 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。Pin 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。,19,Pin 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Low時(shí)這個(gè)Pin也會被Pull Down，PWM將停止輸出。Pin 16：偵測電流參考輸入，該P(yáng)in也是偵測放大器的正相輸入端。Pin 17

13、：偵測電流總和點(diǎn)，該P(yáng)in是各Phase電流輸入的總和也是偵測放大器的負(fù)相輸入端。Pin 18：偵測放大器的輸出端，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。Pin 19：所有信號的參考地。Pin 20~23：電流偵測，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。Pin 24~27: PWM輸出，該P(yáng)in若不使用時(shí)應(yīng)接地。Pin 28：VCC電源輸入（＋12V）。,

14、20,Function Block Diagram(ADP3180),1,,2,,3,,4,,5,,6,,7,8,9,,A,,21,上圖為ADP3180的功能方塊圖，下面將簡單講述其各個(gè)功能模塊。1 ：為數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，其作用是把CPU發(fā)出的數(shù)位訊號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。3 ：為Error Amplifier，偵測輸出電壓是否有偏差，若有

15、則做出相應(yīng)的調(diào)整。4 ：為Soft Star功能。5 ：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。6 ：為Power Good輸出延時(shí)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。,22,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

16、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。對於Diretto機(jī)種它采用三相電源技術(shù)。Master 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

17、相則除以4。若使用3相，則不使用的PWM4就必需接地。下圖為RT vs. Master Clock的曲線圖，RT的阻值越大，Master Clock則越小。,23,Master Clock Frequency vs. RT,24,Soft Start :其功能是為了保證當(dāng)PWRGD信號發(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

18、EN為Low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)20µA的電流源對Delay 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。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

19、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Error Amplifer的正相輸入端REF做比較，來對Vout的變化做相應(yīng)的調(diào)整。,25,Voltage Mode Buck Co

20、nverter Compensation Design,26,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外部的信號有三個(gè)分別是CSREF、CSSUM和CSCOMP，CSREF連接到Vcore，CSSUM則是各個(gè)

21、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外接的電容將會對與它並連的電阻進(jìn)放電。此時(shí)，ADP3180內(nèi)部的比較器會對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)，控制器就會被關(guān)閉。Delay Pin的電壓由3V降到1.8V的這段時(shí)間我們

22、稱為Latch-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 Time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)。,27,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）,28,,,圖（B）,圖（C）,29,上圖（A）為四相電源的Gate極波形圖，圖（B）為三相電源的PWM1與

23、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)圍並長期工作，則

24、該相電源將會崩潰，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)。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0～120度，PWM2的工作空間為120～240度，PWM3的工作空間為240～360度。由此可以推算出多相電源

25、輸出的總頻率為振蕩器頻率FS×相數(shù)N。,30,ADP3180要求不使用的PWM控制信號需接地，相應(yīng)地SW則懸空不用，以告知PW控制器該組PWM不使用。前面以講過了PWM控制器具有電流偵測和過流保護(hù)功能，電流平衡原理也是利用到了電流偵測功能，實(shí)際上它是取多相電源電流的平均值與當(dāng)前各相偵測到的電流進(jìn)行比較，然後與比較的結(jié)果差值來決定對各相進(jìn)行平衡，由此多相電流平衡即可以實(shí)現(xiàn)。到此ADP3180的基本功能已講解完畢，實(shí)際

26、上ADP3180衹是控制分部，其驅(qū)動(dòng)Mosfet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。,31,下面我們將對ADP3418的功能作一介紹，首先先看一下它的Top View和Function Block Diagram。,Top View,Function Block Diagram,32,各腳位的功能介紹：BST：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

27、方法來實(shí)現(xiàn)。電容的大小一般為100nF~1µF。IN：PWM信號的輸入，這個(gè)信號由主控制器ADP3180輸出。OD＃：Output Disable，當(dāng)OD＃為Low時(shí)，DRVH和DRVL輸出為Low。VCC：芯片電源輸入，用一顆1µF的陶瓷電容連接到PGND達(dá)到穩(wěn)壓旁路的作用。DRVL：驅(qū)動(dòng)Low Side Mosfet。PGND：電源地。SW：即Phase，連接點(diǎn)靠近High Side Mosfet的S

28、ource極，用來偵測Phase的High-Low變化過程，防止DRVH沒有關(guān)閉時(shí)就把DRVL打開。DRVH：驅(qū)動(dòng)High Side Mosfet。,33,我們先看一下High Side與Low Side部分的切換圖：,34,我們來仔細(xì)看一下上面兩張圖第一張：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。第二張：IN由High to Low時(shí)，DR

29、VH先拉Low，接下來DRVL再拉High，它們之間也不是同步的，也存在一定的時(shí)間差。它們之間不同步動(dòng)作的作用，主要是防止High Side與Low Side兩個(gè)Mosfet在瞬時(shí)同時(shí)被打開而導(dǎo)致＋12V電源直接對地Short。,35,下圖是一張ADP3418的內(nèi)部框圖和典型應(yīng)用圖：,36,在上圖中ADP3418驅(qū)動(dòng)兩對Mosfet，HighSide部分和LowSide部分，Pin4的DRVH驅(qū)動(dòng)Q1，Pin5的DRVL驅(qū)動(dòng)Q2。

30、要注意的是Pin1的BST（Bootstrap)，它主要是為驅(qū)動(dòng)Q1供應(yīng)電源，在這裡引入一種叫Bootstrap的電路，它由CBST和D1組成。下面簡單的講術(shù)一下Bootstrap的工作原理： 當(dāng)In為Low時(shí)，BST為12V，DRVH為Low，SW也為Low。 當(dāng)In為High時(shí)，由於DRVH為High，Q1導(dǎo)通，所以SW也為12V，由於CBST的存在BST變?yōu)?4V，這樣就能繼續(xù)驅(qū)動(dòng)Q1。如果沒有CBST，

31、Q1導(dǎo)通後SW為12V，應(yīng)BST為12V，所以DRVH也為12V，這樣的話Q1就不會導(dǎo)通，所以說CBST是必須存在的。 D1的作用主要是防止當(dāng)BST為24V時(shí)，電流倒灌到電源12V。,37,下圖是實(shí)際量測到的信號，CH2為BST，CH4為SW。,38,下面讓我們來看看OD＃Pin的作用，此Pin作為一個(gè)開關(guān)，當(dāng)為High時(shí)正常工作，為Low時(shí)停止工作（停止DRVH和DRVL的輸出）。下圖是OD＃由High to Low t