深入解析MAX16602：VR13.HC與AI核心雙輸出電壓調(diào)節(jié)器芯片組

引言

在當(dāng)今電子設(shè)備飛速發(fā)展的時(shí)代，對(duì)于高性能、高集成度電壓調(diào)節(jié)器的需求日益增長(zhǎng)。MAX16602作為一款專(zhuān)為AI核心或Intel VR13.HC服務(wù)器CPU供電設(shè)計(jì)的芯片組，憑借其高功率密度、靈活可擴(kuò)展等特性，成為眾多工程師的首選。本文將深入剖析MAX16602的各項(xiàng)特性、工作原理及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為電子工程師在實(shí)際應(yīng)用中提供全面的參考。

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一、MAX16602概述

1.1 產(chǎn)品定位

MAX16602是一款高度集成的控制器IC，與多達(dá)八個(gè)MAX20778/A、MAX20779/A、MAX20780或MAX20790智能功率級(jí)IC配合使用，為AI核心或Intel VR13.HC平臺(tái)提供高性能的多相VCORE電源轉(zhuǎn)換解決方案。該芯片組支持PWM并聯(lián)，最多可控制16相，適用于高電流多相電壓調(diào)節(jié)器、服務(wù)器、工作站、企業(yè)存儲(chǔ)以及通信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

1.2 關(guān)鍵特性

• 高功率密度與效率：支持多種智能功率級(jí)IC，如MAX20778/A、MAX20779/A/B/C等，在1.8V輸出時(shí)峰值效率可達(dá)95.6%，并集成輸入功率監(jiān)測(cè)功能。
• 通過(guò)PMBus進(jìn)行遙測(cè)：具備數(shù)字可編程配置，可實(shí)現(xiàn)輸入電壓、電流、功率監(jiān)測(cè)以及功率級(jí)溫度監(jiān)測(cè)與報(bào)告。
• 先進(jìn)的電源管理：采用自主相位 shedding技術(shù)，能在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持高效率；具備正交電流重新平衡功能，確保瞬態(tài)期間相電流平衡；低靜態(tài)電流有助于提高輕載和待機(jī)效率。
• 保護(hù)特性：提供輸入和偏置電源欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)以及關(guān)鍵故障標(biāo)志輸出引腳，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

二、電氣特性

2.1 電源電壓與電流

• 偏置電源電壓范圍：VAVDD1P8和VDVDD1P8為1.7 - 1.9V，VDD3P3為3.0 - 3.6V。
• 偏置電源電流：1.8V偏置電源電流（IAVDD1P8 + IDVDD1P8）在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)為52mA，VDD3P3偏置電源電流（IVDD3P3）在1.8V開(kāi)關(guān)關(guān)閉（VX = 3.3V）時(shí)為500μA。

2.2 輸出電壓范圍與精度

• 輸出電壓范圍：在5mV模式下，CORE和VSA為0.25 - 1.52V；在10mV模式下，僅CORE為0.5 - 2.3V。
• DC設(shè)定點(diǎn)公差：在不同溫度和電壓范圍內(nèi)，輸出電壓的公差在 -0.5% 至 +0.5% 之間，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。

2.3 其他電氣參數(shù)

還包括開(kāi)關(guān)頻率、VID轉(zhuǎn)換斜率、過(guò)壓和欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等一系列電氣參數(shù)，這些參數(shù)共同保證了芯片組在不同工作條件下的性能。例如，CORE開(kāi)關(guān)頻率范圍為300 - 857kHz，VSA開(kāi)關(guān)頻率分為低開(kāi)關(guān)頻率（599 - 735kHz）和高開(kāi)關(guān)頻率（720 - 880kHz）。

三、工作原理

3.1 VCORE控制架構(gòu)

MAX16602的VCORE控制架構(gòu)包含多個(gè)放大器級(jí)和調(diào)制器電路，通過(guò)無(wú)損電流傳感技術(shù)，利用智能功率級(jí)IC的電流反饋信號(hào)來(lái)控制每個(gè)相。具體來(lái)說(shuō)，首先通過(guò)差分放大器（A1）計(jì)算參考電壓與差分遠(yuǎn)程感測(cè)電壓之間的誤差，然后將該誤差通過(guò)適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電阻縮放后輸入到誤差放大器（A3）。相電阻用于將所有功率級(jí)的ISENSE電流反饋信號(hào)求和到誤差放大器的反相輸入端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流的精確控制。

3.2 無(wú)損電流傳感與負(fù)載線(xiàn)控制

該芯片組采用無(wú)損電流傳感技術(shù)，通過(guò)智能功率級(jí)IC將與功率器件電流成比例的電流信號(hào)反饋給控制器。這種方法優(yōu)于使用電感直流電阻的方法，無(wú)需溫度補(bǔ)償和濾波即可獲得準(zhǔn)確的電流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出負(fù)載線(xiàn)的精確控制，即使在低電流情況下也能保證精度。負(fù)載線(xiàn)通過(guò)數(shù)字編程電壓控制環(huán)誤差放大器（A2）的直流增益來(lái)設(shè)置。

3.3 集成1.8V調(diào)節(jié)器

MAX16602集成了一個(gè)1.8V開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，為控制器和智能功率級(jí)設(shè)備提供偏置電流。該調(diào)節(jié)器采用DCM模式和恒定導(dǎo)通時(shí)間控制，并具有輸入和輸出前饋功能，能夠在高負(fù)載和低負(fù)載電流下實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。當(dāng)VDD1P8低于1.8V參考電壓時(shí)，高側(cè)FET開(kāi)啟，電流從輸入通過(guò)電感流向輸出濾波電容和負(fù)載；當(dāng)固定導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束后，高側(cè)FET關(guān)閉，低側(cè)FET短暫開(kāi)啟，將電感電流降至零。

3.4 輸入功率傳感器

芯片組集成了輸入功率傳感器，通過(guò)低電阻外部電流傳感電阻或電流監(jiān)測(cè)信號(hào)來(lái)測(cè)量輸入電流和電壓。輸入功率遙測(cè)可以通過(guò)PMBus或SVID讀取，簡(jiǎn)化了VR13.HC解決方案的實(shí)現(xiàn)。

四、系統(tǒng)啟動(dòng)與操作模式

4.1 系統(tǒng)啟動(dòng)

當(dāng)AVDD1P8、DVDD1P8和VDD3P3上升到各自的欠壓鎖定閾值以上時(shí)，MAX16602開(kāi)始初始化，檢查編程和配置電阻的有效性，并檢查CORE_SENSE_P和VSA_SENSE_P引腳是否開(kāi)路。當(dāng)VIN和SNS_PS_BIAS高于各自的欠壓鎖定閾值且OEN信號(hào)為高時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始響應(yīng)硬件使能信號(hào)，進(jìn)行相位檢測(cè)序列，完成功率級(jí)檢測(cè)后開(kāi)始輸出斜坡。

4.2 操作模式

• 連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）：根據(jù)功率管理設(shè)置和CPU發(fā)出的SVID命令，控制器可以在CCM模式下運(yùn)行，具有可編程數(shù)量的有效相。
• 單相不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）：當(dāng)DCM模式啟用時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率與負(fù)載電流成正比。DCM偏移電壓可以通過(guò)PMBus進(jìn)行選擇，較低的偏移電壓會(huì)導(dǎo)致較低的輸出電壓紋波，但開(kāi)關(guān)頻率會(huì)較高。

4.3 VID和斜坡率

MAX16602符合VR13.HC規(guī)范的VID值和斜坡率要求，提供所有必需的SVID命令，包括衰減模式。慢斜坡率和快斜坡率在電氣特性表中有明確規(guī)定。

4.4 功率狀態(tài)

該芯片組支持PS0、PS1、PS2和PS3命令，適用于CORE和VSA。

4.5 自主相位Shedding（APS）

APS功能允許根據(jù)負(fù)載電流自動(dòng)控制有效相的數(shù)量，以最大化調(diào)節(jié)器的效率。APS使用兩組閾值：APS_Slow閾值用于相位減少?zèng)Q策，APS_Fast閾值用于相位增加決策。當(dāng)負(fù)載電流增加超過(guò)APS_Fast閾值時(shí)，所有相迅速啟用；當(dāng)數(shù)字化輸出電流在至少200μs內(nèi)保持低于APS_Slow閾值時(shí)，控制器開(kāi)始減少相。

五、保護(hù)與監(jiān)測(cè)功能

5.1 啟動(dòng)時(shí)的故障檢測(cè)

MAX16602在退出VDD1P8欠壓鎖定和OEN信號(hào)上升后會(huì)進(jìn)行各種故障檢測(cè)，包括ISENSE引腳短路到功率級(jí)AVDD、ADDR和PROG電阻值的有效性、正感測(cè)線(xiàn)開(kāi)路、TSENSE未連接、功率級(jí)相控制輸出故障以及功率級(jí)故障等。如果檢測(cè)到任何故障，系統(tǒng)將標(biāo)記錯(cuò)誤并停止啟動(dòng)。

5.2 VCORE功率良好信號(hào)（PWRGD_CORE）

PWRGD_CORE是一個(gè)高電平有效、開(kāi)漏輸出信號(hào)，用于指示VCORE已穩(wěn)定在啟動(dòng)電壓或最后指定的SVID命令。在啟動(dòng)VID過(guò)渡結(jié)束后的固定延遲后，PWRGD_CORE變?yōu)楦唠娖?。在VID過(guò)渡期間，PWRGD_CORE不會(huì)被取消斷言，但如果輸出電壓低于標(biāo)稱(chēng)電壓的容差帶閾值或檢測(cè)到任何鎖存故障，則會(huì)被取消斷言。

5.3 過(guò)流保護(hù)（OCP）

OCP默認(rèn)級(jí)別由PROG選擇的場(chǎng)景加載，過(guò)流閾值可以通過(guò)PMBus寄存器0xD3[3:0]進(jìn)行覆蓋。系統(tǒng)過(guò)流條件通過(guò)比較內(nèi)部RDES電阻上的電壓與所選OCP閾值對(duì)應(yīng)的電壓來(lái)檢測(cè)。OCP有“CCM”和“Hiccup”兩種模式可供選擇。在Hiccup OCP模式下，當(dāng)OCP閾值被超過(guò)時(shí)，系統(tǒng)在關(guān)閉前提供5ms的編程O(píng)CP電流，然后等待45ms后重新啟動(dòng)；在CCM OCP模式下，系統(tǒng)持續(xù)提供編程O(píng)CP電流，直到負(fù)載電流降至OCP值以下。

5.4 過(guò)壓保護(hù)

芯片組包含兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)壓保護(hù)電路，一個(gè)比較輸出電壓與編程標(biāo)稱(chēng)輸出之間的差值與輸出OVP閾值，另一個(gè)比較輸出電壓與傘形OVP閾值。如果任何一個(gè)電路觸發(fā)，將注冊(cè)O(shè)VP故障，OVP信號(hào)被斷言，PWRGD_CORE和PWRGD_VSA被取消斷言，調(diào)節(jié)停止。OVP故障只能通過(guò)切換1.8V或3.3V電源軌來(lái)清除。

5.5 欠壓鎖定（UVLO）

設(shè)備在1.8V、3.3V和VIN上包含欠壓鎖定電路。如果檢測(cè)到任何電源的UVLO事件，系統(tǒng)將停止調(diào)節(jié)。當(dāng)相應(yīng)的電源電壓上升到欠壓閾值以上時(shí)，IC會(huì)重新加載默認(rèn)設(shè)置或最后用戶(hù)場(chǎng)景，并在OEN仍為高電平時(shí)重新啟動(dòng)。

5.6 功率級(jí)溫度警告（VR_HOT）

VR_HOT是一個(gè)開(kāi)漏、低電平有效輸出信號(hào)，當(dāng)任何功率級(jí)的溫度達(dá)到場(chǎng)景中編程的閾值（固定為 +105°C）時(shí)，該信號(hào)被斷言。VR_HOT作為對(duì)CPU的警告，系統(tǒng)繼續(xù)正常調(diào)節(jié)。

5.7 故障指示輸出（FAULT）

FAULT是一個(gè)開(kāi)漏、低電平有效輸出信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到重大故障時(shí)被斷言。在初始化期間，如果發(fā)現(xiàn)電阻或節(jié)點(diǎn)超出范圍或開(kāi)路，F(xiàn)AULT會(huì)被斷言；在系統(tǒng)調(diào)節(jié)期間，智能功率級(jí)故障會(huì)被持續(xù)監(jiān)測(cè)并通過(guò)FAULT信號(hào)報(bào)告。

六、VSA操作

6.1 VSA控制架構(gòu)

VSA控制架構(gòu)是VCORE控制架構(gòu)的簡(jiǎn)化版本，沒(méi)有下垂功能。提供16種斜坡率選項(xiàng)和兩種開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置，這些設(shè)置由PROG場(chǎng)景預(yù)配置，但可以通過(guò)PMBus寄存器進(jìn)行調(diào)整。

6.2 VSA輸出操作

• 啟動(dòng)：VSA啟動(dòng)操作與VCORE部分描述的啟動(dòng)過(guò)程相同。
• 功率狀態(tài)：VSA軌支持PS0、PS2、PS3和衰減功率狀態(tài)。
• DCM操作：VSA電路包含一個(gè)可編程控制環(huán)偏移，其功能與VCORE相同。該偏移由PROG場(chǎng)景預(yù)配置，但可以通過(guò)PMBus寄存器0xB3[6]進(jìn)行調(diào)整。
• 保護(hù)與監(jiān)測(cè)：VSA輸出具有獨(dú)立的功率良好信號(hào)，其操作方式與VCORE相同。VSA過(guò)流保護(hù)采用峰值電流逐周期鉗位，通過(guò)比較RPH_VSA上的電壓與參考閾值來(lái)激活。VSA過(guò)壓保護(hù)與VCORE類(lèi)似，包含兩個(gè)OVP電路。

七、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

7.1 確定最佳相數(shù)

根據(jù)CPU的選擇確定ICCMAX的值，OCP通常設(shè)置為比ICCMAX高20%。根據(jù)負(fù)載電流要求和可用面積，結(jié)合智能功率級(jí)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的效率曲線(xiàn)和電流額定值，確定所需的相數(shù)。

7.2 相配置順序

在配置MAX16602時(shí)，對(duì)于給定的相數(shù)，需要正確選擇特定的相位置進(jìn)行填充，同時(shí)將其他相停用。停用相通過(guò)將其相控制（PWM）引腳與地之間連接一個(gè)1kΩ電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，未使用相的TSENSE和ISENSE引腳必須保持未連接。

7.3 輸出電容計(jì)算

輸出電容（COUT）的值可以根據(jù)卸載瞬態(tài)期間的最大允許過(guò)沖（VOV_MAX）或電壓調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)的最大帶寬來(lái)確定。通過(guò)相應(yīng)的公式計(jì)算出最小COUT值，并選擇略高的值以提供良好的設(shè)計(jì)余量。

7.4 配置電阻值選擇

系統(tǒng)操作參數(shù)通過(guò)配置電阻進(jìn)行設(shè)置，ADDR選擇SVID和PMBus地址，PROG選擇預(yù)配置場(chǎng)景。正確的電阻值和每個(gè)電阻編程的參數(shù)在表5中列出，配置參數(shù)可以在OEN為低電平時(shí)通過(guò)PMBus進(jìn)行編程，這些設(shè)置在后續(xù)OEN切換時(shí)不會(huì)重置。

7.5 數(shù)字參數(shù)設(shè)計(jì)

MAX16602集成了所有控制環(huán)組件，以下參數(shù)現(xiàn)在可以通過(guò)數(shù)字方式選擇：

• VCORE調(diào)節(jié)器：包括開(kāi)關(guān)頻率、負(fù)載線(xiàn)、系統(tǒng)OCP、APS快速和慢速閾值、調(diào)制器斜坡率、AMS斜坡率、電流環(huán)零、電壓環(huán)零、RP和ROCR等。
• VSA調(diào)節(jié)器：包括開(kāi)關(guān)頻率、調(diào)制器斜坡率、控制環(huán)零和RP等。

這些參數(shù)由PROG場(chǎng)景預(yù)配置，但可以通過(guò)PMBus接口進(jìn)行調(diào)整。

八、PMBus接口

8.1 接口概述

MAX16602控制器IC包含一個(gè)串行總線(xiàn)（PMBus），支持高級(jí)調(diào)節(jié)器監(jiān)測(cè)和控制功能。該接口支持SMBus 3.1規(guī)范的一個(gè)子集，包括靜態(tài)SMBus地址編程、高功率SMBus直流規(guī)范、多種SMBus協(xié)議以及數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤檢查機(jī)制等。

8.2 監(jiān)測(cè)功能

通過(guò)PMBus接口可以獲取系統(tǒng)級(jí)和VCORE、VSA調(diào)節(jié)器的各種監(jiān)測(cè)信息，包括系統(tǒng)故障日志、SVID日志、配置電阻編程參數(shù)、過(guò)溫閾值、制造商模塊ID、輸入電壓、輸出電流、輸出電壓、功率級(jí)溫度等。

8.3 存儲(chǔ)用戶(hù)配置

用戶(hù)配置可以編程到非易失性存儲(chǔ)器（NVM）中，MTP可編程N(yùn)VM允許進(jìn)行8次現(xiàn)場(chǎng)修改。編程N(yùn)VM時(shí)，需要按照特定步驟進(jìn)行操作，確保配置正確保存。

8.4 加載保存的配置

可以使用Maxim GUI或其他等效方法將配置保存到文本文件中，對(duì)配置文本文件進(jìn)行編輯后，再加載到同一IC或不同IC中。加載的配置在執(zhí)行STORE_USER_ALL命令之前不會(huì)永久保存到NVM中。

8.5 控制功能

通過(guò)PMBus接口可以覆蓋一些控制功能，包括PROG和ADDR配置電阻編程的參數(shù)（除SVID地址和PMBus LSB地址外）、VCORE和VSA調(diào)節(jié)器的輸出電壓、過(guò)壓輸出電壓、OEN信號(hào)、設(shè)定點(diǎn)設(shè)置、VR_HOT閾值和最大輸出電壓等。

九、總結(jié)

MAX16602作為一款高性能的VR13.HC和AI核心雙輸出電壓調(diào)節(jié)器芯片組，憑借其豐富的特性、先進(jìn)的控制架構(gòu)和完善的保護(hù)監(jiān)測(cè)功能，為電子工程師在設(shè)計(jì)高電流多相電壓調(diào)節(jié)器、服務(wù)器、工作站等應(yīng)用時(shí)提供了強(qiáng)大的支持。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，合理選擇相數(shù)、配置電阻值和數(shù)字參數(shù)，充分發(fā)揮MAX16602的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換。同時(shí)，通過(guò)PMBus接口可以方便地進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可靠性。

你在使用MAX16602的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？或者你對(duì)其未來(lái)的發(fā)展有什么期望？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的看法。