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Diretto PWM 工作原理分析Edit By Gemi 2004.7

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Power On 瞬間 VID 、 Vcore 的產生時序

ATX POWER

Processor Voltage Regulator

Processor

VCCVID Voltage

Regulator

VID_PWRGD Generation

Logic

Logic

Voltage In

Enable In

VCC

VIDDelay

1msVID_PWRGD

VID[0:5]

VCORE

圖（一）

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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 VRM 10.0 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 System Power Supply (ATX) ，當觸發主機板的 PWRBTN# 信號後， ATX POWER 供出數組電源。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 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 VRM 10.0 規範的一部分。

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Output Volgate vs.VID Code

圖（二）

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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 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 CPU VID[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 VRM 10.0 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。

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圖（三）

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圖三為 VCCVID Voltgate Regulator 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）

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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）

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圖（六）

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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 Vccvid Voltage Regulator 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 。

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圖（七）

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圖（八）

圖八為測量出的 VCCVID 與 POG 的電壓幅度，均為 1.23V 。

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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

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圖（九）

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圖（十）

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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。

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首先介紹 PWM 控制器 ADP3180, 下圖為它的 TOP VIEW 圖

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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 ：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 Vco

re反馈电压，用于侦测 Vcore 是否有偏差。 Pin 9 ：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。 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。 Pin 12 ： Soft-Start 延時。 Pin 13 ：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。 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。

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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 ：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，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。 Pin 19 ：所有信號的參考地。 Pin 20~23 ：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。 Pin 24~27: PWM 輸出，該 Pin若不使用時應接地。 Pin 28 ： VCC 電源輸入（＋ 12V）。

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Function Block Diagram(ADP3180)

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A

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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 Error Amplifier ，偵測輸出電壓是否有偏差，若有則做出相應的調整。 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。

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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。

Master Clock Frequency ： ADP3180 可以通過在 RT Pin 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 RT vs. Master Clock 的曲線圖， RT 的阻值越大， Master Cl

ock則越小。

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Master Clock Frequency vs. RT

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Soft Start : 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 Delay Pin 並接一顆電阻和電容到 GND 來決定。當 UVLO 和 EN為 Low 時， Delay Pin 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 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 Error Amplifier 的輸出端， FB 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 的變化做相應的調整。

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Voltage Mode Buck Converter Compensation Design

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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。在 ADP3180 中內部集成一個的名叫 Current S

ense 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 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， 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 內部的比較器會對 Delay Pin 的電壓進行監控，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。

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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）

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圖（ B）

圖（ C）

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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節，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，則該相電源將會崩潰，接著一相一相的崩潰，整個系統將無法正常工作。由此看來各相電源的配合是非常重要的環節。

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輸出的總頻率為振蕩器頻率 FS× 相數 N 。

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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。

到此 ADP3180 的基本功能已講解完畢，實際上 ADP3180 衹是控制分部，其驅動 Mosfet 的開與關是由 ADP3418 來完成的。接下來我們將要講解它的驅動部分 ADP3418 。

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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

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各腳位的功能介紹： BST ：為上位 Mosfet 的 Gate極提供一個可變的驅動電壓，通過與 SW串接一顆電容的方法來實現。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，用一颗 1µF 的陶瓷电容连接到 PGND达到稳压旁路的作用。 DRVL ：驅動 Low Side Mosfet 。 PGND ：電源地。 SW ：即 Phase ，连接点靠近 High Side Mosfet 的 Source极，用来侦测 Phase 的 High-Low变化过程，防止 DRVH没有關闭時就把 DRVL打开。 DRVH ：驅動 High Side Mosfet 。

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我們先看一下 High Side 與 Low Side 部分的切換圖：

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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， DRVH 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 。

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下圖是一張 ADP3418 的內部框圖和典型應用圖：

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在上圖中 ADP3418驅動兩對 Mosfet ， HighSide 部分和 LowSide 部分， Pin4 的 DRVH驅動 Q1 ， Pin5 的 DRVL驅動 Q2 。 要注意的是 Pin1 的 BST（ Bootstrap) ，它主要是為驅動 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 12

V ，由於 CBST 的存在 BST變為 24V ，這樣就能繼續驅動 Q1 。如果沒有 CBST ， 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 。

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下圖是實際量測到的信號， CH2 為 BST ， CH4 為 SW 。

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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 to High 的時序圖：