MAX77874：16A高性能四相降壓調(diào)節(jié)器，引領(lǐng)多核心處理器電源解決方案

在電子設(shè)備飛速發(fā)展的今天，多核心CPU和GPU處理器對(duì)電源的要求越來(lái)越高。高性能、高效率且小尺寸的電源解決方案成為了工程師們追求的目標(biāo)。Analog Devices的MAX77874四相降壓調(diào)節(jié)器，正是這樣一款滿(mǎn)足多核心處理器電源需求的優(yōu)秀產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

MAX77874是一款專(zhuān)為CPU和GPU多核心處理器設(shè)計(jì)的四相、大電流降壓調(diào)節(jié)器。它采用了專(zhuān)有的IP技術(shù)，在瞬態(tài)響應(yīng)、輸出電壓精度、效率和PCB占用面積等方面都表現(xiàn)出色。其輸出電壓可通過(guò)I2C接口在0.25V至1.30V之間以5mV的步長(zhǎng)進(jìn)行編程，輸出電流能力高達(dá)16A。該產(chǎn)品采用48凸塊、0.35mm間距的WLP封裝，工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C，適用于智能手機(jī)、平板電腦、超極本、相機(jī)、游戲設(shè)備、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)以及AI和嵌入式微處理器等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

二、產(chǎn)品特性

（一）寬工作范圍

• 輸入電壓（VIN）：2.7V至4.8V，能夠適應(yīng)多種電源輸入環(huán)境。
• 輸出電壓（VOUT）：0.25V至1.30V，以5mV的步長(zhǎng)進(jìn)行編程，可靈活滿(mǎn)足不同處理器的電壓需求。
• 輸出電流（IOUT）：最大可達(dá)16A，能夠?yàn)槎嗪诵奶幚砥魈峁┏渥愕碾娏髦С帧?/li>

（二）快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

在不同的工作模式下，MAX77874都能實(shí)現(xiàn)快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。例如，在FPWM和Turbo - Skip模式下，負(fù)載從200mA躍升至9.2A時(shí)，電壓降僅為25mV；在Skip模式下，電壓降為40mV。這種快速響應(yīng)能力能夠確保處理器在負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定工作。

（三）高精度輸出電壓

• 初始精度：在0.9VOUT時(shí)，初始精度最大為0.28%。
• 全范圍精度：在不同的線(xiàn)路和溫度條件下，最大精度為1.5%。
• 輸出紋波：在所有負(fù)載下，典型紋波僅為3mVP - P，能夠?yàn)樘幚砥魈峁┓€(wěn)定的電源。

（四）高效節(jié)能

• 峰值效率：在3.7VIN、0.9VOUT、3.5AOUT的條件下，峰值效率可達(dá)89%。
• 輕載自動(dòng)旋轉(zhuǎn)相位擴(kuò)展：在輕載時(shí)，采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)相位擴(kuò)展技術(shù)，能夠有效提高效率，降低紋波。

（五）靈活的功能特性

• I2C接口和邏輯引腳：通過(guò)I2C接口可以對(duì)輸出電壓、動(dòng)態(tài)電壓縮放（DVS）、中斷和控制模式等進(jìn)行配置，同時(shí)還提供了EN、DVS、IRQ等邏輯引腳，方便進(jìn)行外部控制。
• 可編程軟啟動(dòng)和DVS斜坡速率：軟啟動(dòng)和DVS斜坡速率可通過(guò)I2C進(jìn)行編程，能夠根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。
• 雙熱警報(bào)和POK中斷：具備兩個(gè)熱警報(bào)和POK中斷功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的溫度和輸出電壓狀態(tài)，確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（六）小尺寸解決方案

• 封裝尺寸：采用2.22mm x 2.92mm的WLP封裝，0.35mm間距，占用PCB面積小。
• 總體面積：搭配2012尺寸的電感時(shí)，總面積僅為37mm2；搭配2016尺寸的電感時(shí)，總面積為41mm2。

三、工作模式

（一）Skip模式

Skip模式在輕載時(shí)能夠提供最低的電源電流和最高的效率，但在負(fù)載瞬態(tài)時(shí)，輸出電壓的下降幅度比其他模式更大。

（二）Turbo Skip模式

Turbo Skip模式結(jié)合了出色的瞬態(tài)響應(yīng)（與FPWM模式相同）和接近Skip模式的輕載效率和電源電流，因此是默認(rèn)設(shè)置。

（三）Forced PWM（FPWM）模式

FPWM模式為對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用提供了近乎恒定的開(kāi)關(guān)頻率，但在輕載時(shí)電源電流較高，效率較低。其瞬態(tài)響應(yīng)與Turbo Skip模式相似。

四、關(guān)鍵技術(shù)

（一）Quick - PWM?控制方案

MAX77874采用了Maxim的專(zhuān)有Quick - PWM?快速響應(yīng)、恒定導(dǎo)通時(shí)間PWM控制方案。該方案能夠輕松處理寬輸入/輸出電壓比（低占空比應(yīng)用），對(duì)負(fù)載瞬態(tài)提供即時(shí)響應(yīng)，同時(shí)保持近乎恒定的開(kāi)關(guān)頻率。此外，它還具有很高的環(huán)路帶寬，能夠在負(fù)載瞬態(tài)期間實(shí)現(xiàn)最小的電壓降/飆升和快速恢復(fù)。

（二）旋轉(zhuǎn)相位擴(kuò)展技術(shù)

在輕載時(shí)，專(zhuān)有旋轉(zhuǎn)相位擴(kuò)展技術(shù)會(huì)按旋轉(zhuǎn)順序切換所有四個(gè)相位，并在開(kāi)關(guān)脈沖之間的零電流狀態(tài)下延長(zhǎng)時(shí)間。與完全禁用某些相位的相位削減技術(shù)相比，旋轉(zhuǎn)相位擴(kuò)展技術(shù)在不同負(fù)載之間的過(guò)渡更加平滑，輸出紋波更小，干擾更少。

（三）增強(qiáng)型瞬態(tài)響應(yīng)（ETR）

在Skip和Turbo Skip模式下，轉(zhuǎn)換器能夠同時(shí)激活所有四個(gè)相位以響應(yīng)負(fù)載瞬態(tài)。不過(guò)，在Skip模式下，為了實(shí)現(xiàn)更低的靜態(tài)電流，響應(yīng)速度不如Turbo Skip模式快。在FPWM模式下，由于控制器具有高環(huán)路帶寬，不需要ETR電路。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）外部組件選擇

• 輸入電容：每個(gè)IN_到GND之間應(yīng)使用10μF（總共40μF）的電容進(jìn)行旁路，推薦使用0402尺寸、X5R電介質(zhì)、6.3V額定電壓的陶瓷電容。
• 本地輸出電容：每相推薦使用至少2x 22μF（每相44μF）的電容，同樣采用0402尺寸、X5R電介質(zhì)、4V額定電壓的陶瓷電容。
• 遠(yuǎn)程輸出電容：遠(yuǎn)程感測(cè)線(xiàn)應(yīng)使用至少3x 22μF（總共66μF）的電容進(jìn)行去耦，電容規(guī)格與本地輸出電容相同。
• 偏置電容：每個(gè)偏置電源（VCC、VIO、VDD_DIG、VDD_ANA）到地之間應(yīng)使用1μF、0201尺寸的陶瓷電容進(jìn)行旁路。
• 電感：MAX77874B針對(duì)標(biāo)稱(chēng)電感為220nH或240nH的電感進(jìn)行了微調(diào)。電感的飽和電流額定值應(yīng)至少為調(diào)節(jié)器的峰值電流限制，RMS電流額定值應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的預(yù)期負(fù)載電流進(jìn)行選擇。同時(shí)，還應(yīng)考慮電感的直流電阻（DCR）、交流電阻（ACR）和外殼尺寸。

（二）PCB布局考慮

由于MAX77874的開(kāi)關(guān)速度快、電流大，因此在PCB布局時(shí)需要仔細(xì)規(guī)劃走線(xiàn)。應(yīng)盡量減小IC與電感、輸入電容和輸出電容之間的走線(xiàn)長(zhǎng)度，保持這些關(guān)鍵走線(xiàn)短而寬。確保輸入和輸出電容的接地連接盡可能靠近，并連接到PG_，將AGND和PG_走線(xiàn)直接連接到接地平面。在布線(xiàn)SNS+和SNS - 走線(xiàn)時(shí)，應(yīng)保持走線(xiàn)足夠短，以減少寄生電感，并將SNS - 連接到輸出電容的接地端，SNS+連接到輸出電容的正端?？梢允褂弥虚g接地平面來(lái)屏蔽SNS+和SNS - 走線(xiàn)，避免受到嘈雜的開(kāi)關(guān)路徑的干擾。

六、I2C通信

MAX77874具有一個(gè)兼容I2C 3.0的2線(xiàn)串行接口，包括雙向串行數(shù)據(jù)線(xiàn)（SDA）和串行時(shí)鐘線(xiàn)（SCL）。它作為一個(gè)僅從設(shè)備，依賴(lài)主設(shè)備生成時(shí)鐘信號(hào)，支持0Hz至3.4MHz的SCL時(shí)鐘速率。I2C是一個(gè)開(kāi)漏總線(xiàn)，因此SDA和SCL需要上拉電阻。

（一）數(shù)據(jù)傳輸

在每個(gè)SCL時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸一位數(shù)據(jù)。SDA上的數(shù)據(jù)在SCL時(shí)鐘脈沖的高電平期間必須保持穩(wěn)定，SCL為高電平時(shí)SDA的變化為控制信號(hào)。每個(gè)傳輸序列由一個(gè)START（S）條件和一個(gè)STOP（P）條件框定，每個(gè)數(shù)據(jù)包為9位長(zhǎng)，包括8位數(shù)據(jù)和1位確認(rèn)位，數(shù)據(jù)以MSB優(yōu)先的方式傳輸。

（二）通信協(xié)議

• 寫(xiě)入單個(gè)寄存器：主設(shè)備發(fā)送START命令，然后發(fā)送7位從設(shè)備地址和寫(xiě)位，從設(shè)備確認(rèn)后，主設(shè)備發(fā)送8位寄存器指針，再次確認(rèn)后發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)，從設(shè)備更新數(shù)據(jù)并確認(rèn)，最后主設(shè)備發(fā)送STOP或REPEATED START命令。
• 寫(xiě)入多個(gè)連續(xù)寄存器：與寫(xiě)入單個(gè)寄存器的協(xié)議類(lèi)似，主設(shè)備在收到第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)后繼續(xù)寫(xiě)入，完成后發(fā)送STOP或REPEATED START命令。
• 讀取單個(gè)寄存器：主設(shè)備發(fā)送START命令，發(fā)送7位從設(shè)備地址和寫(xiě)位，從設(shè)備確認(rèn)后，主設(shè)備發(fā)送8位寄存器指針，再次確認(rèn)后發(fā)送REPEATED START命令，然后發(fā)送7位從設(shè)備地址和讀位，從設(shè)備確認(rèn)后將8位數(shù)據(jù)放在總線(xiàn)上，主設(shè)備發(fā)送非確認(rèn)位，最后發(fā)送STOP或REPEATED START命令。
• 讀取連續(xù)寄存器：與讀取單個(gè)寄存器的協(xié)議類(lèi)似，主設(shè)備在收到數(shù)據(jù)后發(fā)送確認(rèn)位，需要更多數(shù)據(jù)時(shí)繼續(xù)發(fā)送確認(rèn)位，不需要時(shí)發(fā)送非確認(rèn)位和STOP命令。

（三）高速模式

要進(jìn)入高達(dá)3.4MHz的高速模式，主設(shè)備需要在總線(xiàn)速度為1MHz或更低時(shí)開(kāi)始協(xié)議，發(fā)送START命令和8位主代碼（0b0000 1XXX），從設(shè)備發(fā)送非確認(rèn)位，主設(shè)備可以將總線(xiàn)速度提高到3.4MHz并進(jìn)行讀寫(xiě)操作，直到發(fā)送STOP命令。

七、總結(jié)

MAX77874四相降壓調(diào)節(jié)器以其高性能、高效率、小尺寸和靈活的功能特性，為多核心CPU和GPU處理器提供了優(yōu)秀的電源解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理選擇外部組件和優(yōu)化PCB布局，能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，通過(guò)I2C接口進(jìn)行靈活配置和通信，能夠滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。對(duì)于電子工程師來(lái)說(shuō)，MAX77874是一款值得信賴(lài)的電源管理芯片。

在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過(guò)類(lèi)似電源管理芯片的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？你又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。