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(fā)布的VRM 10.0規(guī)範，該規(guī)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System Power Supply (ATX)，當觸發(fā)主機板的PWRBTN#信號後，A

3、TX POWER 供出數(shù)組電源。當＋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1～10MS的延時後，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

4、到這個裡整個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過程，並且這裡衹是VRM 10.0規(guī)範的一部分。,4,Output Volgate vs.VID Code,圖（二）,5,圖二為VRM 10.0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CPU Vcore電壓。由該表格可以得知，VRM 10.0的Vcore電壓範圍從0.8375V～1.6V，每個Step為0.0125V，共有

5、74個組合。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VID信號為0，當V

6、ID[4:0]均為1時，即表示無CPU。在對VRM 10.0的規(guī)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(xiàn)以Diretto機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，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，參照一下Pin3(CE) ,Pin4(POG),Pin5(VOUT)之間時序關系。,,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才開始計時，並延時至少1ms後VPG為High。在VOUT降低至VOUT的85%時，VPG輸出為Low, 以通知外圍PWM產(chǎn)生相應動作。圖五為RT9181CB的內(nèi)部框圖,圖（五）,9,,圖（

8、六）,10,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，從圖中可以看到在黃色軌跡線上昇沿之前藍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時間，從圖中可以看出延時時間為1.60ms。符合POG與VOUT延時至少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，其主要由以下幾個部分

10、組成：PWM控制器ADP3180MOSFET驅(qū)動器ADP3418UP-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。,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可構成反饋電路，以消除內(nèi)部誤差放大器自身誤差與噪聲，實際上用于構成一個反饋電路。Pin 10：Power Good Output，此Pin為Open Drain Output。Pin 11：電源Enable Input，當把這個Pin接地時禁止PWM輸出。Pi

12、n 12：Soft-Start延時。Pin 13：內(nèi)部振蕩器頻率選擇，通過接一個電阻至地，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，它通過一個電阻接VCC電壓來設定電流。,19,Pin 15：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EN Pin為Low時這個Pin也會被Pull Down，PWM將停止輸出。Pin 16：偵測電流參考輸入，該Pin也是偵測放大器的正相輸入端。Pin 17

13、：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。Pin 18：偵測放大器的輸出端，該腳與Pin17可構成反饋電路，以消除內(nèi)部誤差放大器自身誤差與噪聲，實際上用于構成一個反饋電路。Pin 19：所有信號的參考地。Pin 20~23：電流偵測，內(nèi)部接於過流保護電路，不使用時該Pin不接任何電路。Pin 24~27: PWM輸出，該Pin若不使用時應接地。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Error Amplifier，偵測輸出電壓是否有偏差，若有

15、則做出相應的調(diào)整。4 ：為Soft Star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Power Good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。,22,相數(shù)的選擇：ADP3180可以Support四相，它可以設計成2相、3相或4相?，F(xiàn)在的P4機板

16、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(shù)越少，則各相所承擔的電流就越大，相應的發(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機種它采用三相電源技術。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的相數(shù)，若為3相則主頻除以3，相應的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PWRGD信號發(fā)給系統(tǒng)時，輸出電壓Vout已達到VID所規(guī)定的電壓。在上電時輸出電壓的上昇時間通過在Delay Pin並接一顆電阻和電容到GND來決定。當UVLO和

18、EN為Low時，Delay Pin在內(nèi)部被接地，當UVLO達到一定值並且EN為High時，ADP3180內(nèi)部一個20µA的電流源對Delay Pin的電容進行充電，輸出電壓隨著Delay Pin電壓而上昇，這樣就限制峰湧電流。當PWRGD上昇到一定電壓時，Soft Start Cycle停止並且Delay Pin被Pull High到3V。反饋網(wǎng)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

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： ADP3180可以設定它的過電流上限值，它通過在ILimit Pin串接一顆電阻到GND來實現(xiàn)。在ADP3180中內(nèi)部集成一個的名叫Current Sense Amplifier （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

21、Phase電流的總和，CSCOMP是CSA的輸出它和CSSUM構成一個反饋網(wǎng)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，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放電。此時，ADP3180內(nèi)部的比較器會對Delay Pin的電壓進行監(jiān)控，當Delay Pin的電壓降到1.8V以下時，控制器就會被關閉。Delay Pin的電壓由3V降到1.8V的這段時間我們

22、稱為Latch-Off Delay Time，這個時間大小是由RC的大小來決定的。由於在Latch-Off Delay Time這段時間裡控制器還在繼續(xù)工作，如果此時短路現(xiàn)象被恢復，控制器又能恢復到正常工作狀態(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空比呢？當然是由電壓反饋輸入的誤差放大器來決定，講到這裡整個PWM控制似乎已很完美了，但因為是多相電源的配合工作，各相的配合過程仍然是一個關鍵的技術環(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的被確定下來，一個周期為360度，假設有三相電源供電，則每項衹需工作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功能，電流平衡原理也是利用到了電流偵測功能，實際上它是取多相電源電流的平均值與當前各相偵測到的電流進行比較，然後與比較的結果差值來決定對各相進行平衡，由此多相電流平衡即可以實現(xiàn)。到此ADP3180的基本功能已講解完畢，實際

26、上ADP3180衹是控制分部，其驅(qū)動Mosfet的開與關是由ADP3418來完成的。接下來我們將要講解它的驅(qū)動部分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極提供一個可變的驅(qū)動電壓，通過與SW串接一顆電容的

27、方法來實現(xiàn)。電容的大小一般為100nF~1µF。IN：PWM信號的輸入，這個信號由主控制器ADP3180輸出。OD＃：Output Disable，當OD＃為Low時，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達到穩(wěn)壓旁路的作用。DRVL：驅(qū)動Low Side Mosfet。PGND：電源地。SW：即Phase，連接點靠近High Side Mosfet的S

28、ource極，用來偵測Phase的High-Low變化過程，防止DRVH沒有關閉時就把DRVL打開。DRVH：驅(qū)動High Side Mosfet。,33,我們先看一下High Side與Low Side部分的切換圖：,34,我們來仔細看一下上面兩張圖第一張：IN由Low to High時，DRVL先拉Low，然後DRVH再拉High，它們之間並不是同步動作的，而是存在一定的時間差。第二張：IN由High to Low時，DR

29、VH先拉Low，接下來DRVL再拉High，它們之間也不是同步的，也存在一定的時間差。它們之間不同步動作的作用，主要是防止High Side與Low Side兩個Mosfet在瞬時同時被打開而導致＋12V電源直接對地Short。,35,下圖是一張ADP3418的內(nèi)部框圖和典型應用圖：,36,在上圖中ADP3418驅(qū)動兩對Mosfet，HighSide部分和LowSide部分，Pin4的DRVH驅(qū)動Q1，Pin5的DRVL驅(qū)動Q2。

30、要注意的是Pin1的BST（Bootstrap)，它主要是為驅(qū)動Q1供應電源，在這裡引入一種叫Bootstrap的電路，它由CBST和D1組成。下面簡單的講術一下Bootstrap的工作原理： 當In為Low時，BST為12V，DRVH為Low，SW也為Low。 當In為High時，由於DRVH為High，Q1導通，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Q1。如果沒有CBST，

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