MAX8720：動(dòng)態(tài)可調(diào)6位VID降壓控制器的深度解析

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，降壓控制器是不可或缺的關(guān)鍵組件，它直接影響著設(shè)備的性能、效率和穩(wěn)定性。今天我們就來深入探討一款功能強(qiáng)大的降壓控制器——MAX8720。

文件下載：MAX8720.pdf

一、MAX8720概述

MAX8720是一款專為筆記本電腦CPU核心DC - DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的降壓控制器。它具備動(dòng)態(tài)可調(diào)輸出、超快速瞬態(tài)響應(yīng)、高DC精度以及領(lǐng)先的CPU核心電源所需的高效率等特性。其采用的Quick - PWM?快速響應(yīng)、恒定導(dǎo)通時(shí)間PWM控制方案，能輕松應(yīng)對(duì)寬輸入/輸出電壓比，在保持相對(duì)恒定開關(guān)頻率的同時(shí)，為負(fù)載瞬變提供100ns的“即時(shí)開啟”響應(yīng)。

輸出電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整

通過6位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），輸出電壓可在0.275V至1.850V范圍內(nèi)以25mV的步長進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。同時(shí)，它擁有獨(dú)立的四級(jí)邏輯輸入，用于設(shè)置暫停電壓（S0 - S1）。精確的壓擺率控制能確保“及時(shí)”到達(dá)新的DAC設(shè)置，從而最大限度地減少電池的浪涌電流。

封裝形式

MAX8720有28引腳QSOP或36引腳6mm x 6mm薄型QFN封裝可供選擇，以滿足不同的應(yīng)用需求。

二、關(guān)鍵特性剖析

1. Quick - PWM架構(gòu)

• 高精度輸出：在不同的線路和負(fù)載條件下，輸出電壓精度可達(dá)±1%。
• 6位板載DAC：配備輸入多路復(fù)用器，能實(shí)現(xiàn)精確的輸出電壓控制。
• 精確可調(diào)的輸出壓擺控制：輸出調(diào)整范圍為0.275V至1.850V，能適應(yīng)多種不同的應(yīng)用場景。
• 遠(yuǎn)程反饋和地檢測：支持電壓定位應(yīng)用，可輕松補(bǔ)償PC板走線中的IR壓降。

2. 輸入輸出范圍與頻率

• 電池輸入范圍：2V至28V，能適應(yīng)多種電池類型和電壓范圍。
• 開關(guān)頻率：提供200kHz/300kHz/550kHz/1000kHz多種選擇，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行靈活配置。

3. 保護(hù)功能

• 過/欠壓保護(hù)：能有效保護(hù)電路免受異常電壓的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
• 驅(qū)動(dòng)能力：可驅(qū)動(dòng)大型同步整流FET，滿足高功率應(yīng)用的需求。

4. 低功耗設(shè)計(jì)

• 靜態(tài)電流：ICC電源電流典型值為800μA，關(guān)機(jī)電源電流典型值為10μA，有助于降低系統(tǒng)功耗。
• 參考輸出：提供2V ±0.75%的參考輸出，可作為精確的系統(tǒng)參考。

三、電氣特性詳解

1. PWM控制器

• 輸入電壓范圍：電池電壓V +、VCC和VDD的輸入范圍為4.5V至28V，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• DC輸出電壓精度：在不同的DAC代碼范圍內(nèi)，輸出電壓精度有所不同，如0.9V至1.85V范圍內(nèi)為±1%，0.45V至0.875V范圍內(nèi)為±10%等。
• 線路調(diào)節(jié)誤差：在VCC為4.5V至5.5V、V +為4.5V至28V的條件下，線路調(diào)節(jié)誤差為5mV。

2. 偏置與參考

• 靜態(tài)電源電流：VCC和VDD的靜態(tài)電源電流在不同條件下有不同的值，如FB強(qiáng)制高于調(diào)節(jié)點(diǎn)時(shí)，VCC的靜態(tài)電源電流為700 - 1200μA，VDD的靜態(tài)電源電流小于1 - 5μA。
• 參考電壓：參考電壓VREF在VCC為4.5V至5.5V、IREF為0的條件下，在0°C至+85°C的溫度范圍內(nèi)為1.98 - 2.02V。

3. 故障檢測

• 過/欠壓保護(hù)：輸出過壓跳閘閾值為2.20 - 2.30V，輸出欠壓保護(hù)跳閘閾值相對(duì)于空載輸出電壓為65 - 75%。
• PGOOD信號(hào)：PGOOD信號(hào)在輸出調(diào)節(jié)正常時(shí)為高電平，當(dāng)VFB不在DAC設(shè)置的±15%窗口內(nèi)時(shí)，PGOOD信號(hào)被拉低。在DAC代碼轉(zhuǎn)換期間，PGOOD信號(hào)會(huì)被強(qiáng)制拉高8個(gè)時(shí)鐘周期。

4. 電流限制

• 電流限制閾值：電流限制閾值分為固定和可調(diào)兩種模式，固定模式下為85 - 115mV，可調(diào)模式下根據(jù)ILIM引腳的電壓不同而不同，范圍為35 - 230mV。
• 負(fù)電流限制：負(fù)電流限制閾值設(shè)置為正電流限制的約120%，可防止反向電感電流過大。

5. 柵極驅(qū)動(dòng)器

• DH和DL柵極驅(qū)動(dòng)器：DH和DL柵極驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通電阻在不同封裝和條件下有所不同，如QSOP封裝下DH的導(dǎo)通電阻為1.0 - 3.5Ω，DL的導(dǎo)通電阻在高電平和低電平狀態(tài)下也有不同的值。
• 驅(qū)動(dòng)電流：DH柵極驅(qū)動(dòng)器的源/灌電流為2A，DL柵極驅(qū)動(dòng)器的源電流為1.6A，灌電流為4A。

四、典型工作特性

1. 效率與負(fù)載電流

在不同的輸入電壓和負(fù)載電流條件下，MAX8720的效率表現(xiàn)有所不同。例如，在輸出電壓為1.25V時(shí)，隨著負(fù)載電流的增加，效率會(huì)先上升后下降。在PWM模式下，效率相對(duì)較高；而在SKIP模式下，輕載時(shí)效率更高。

2. 輸出電壓與負(fù)載電流

輸出電壓在負(fù)載電流變化時(shí)能保持相對(duì)穩(wěn)定，其波動(dòng)范圍在規(guī)定的精度范圍內(nèi)。

3. 開關(guān)頻率與負(fù)載電流

開關(guān)頻率在負(fù)載電流變化時(shí)也能保持相對(duì)穩(wěn)定，不同的TON設(shè)置會(huì)影響開關(guān)頻率，如TON連接到GND時(shí)開關(guān)頻率為1000kHz，連接到REF時(shí)為550kHz等。

五、引腳功能介紹

1. 電源相關(guān)引腳

• V +：電池電壓感測連接引腳，用于PWM單觸發(fā)定時(shí)，DH導(dǎo)通時(shí)間與輸入電壓成反比。
• VCC和VDD：分別為模擬電源輸入和DL柵極驅(qū)動(dòng)器的電源輸入，需連接到系統(tǒng)電源電壓（+4.5V至+5.5V），并通過旁路電容進(jìn)行濾波。

2. 控制引腳

• SHDN：關(guān)機(jī)控制輸入引腳，連接到VCC時(shí)為正常工作狀態(tài)，連接到GND時(shí)進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。
• TIME：壓擺率調(diào)整引腳，通過連接電阻到GND來設(shè)置內(nèi)部壓擺率時(shí)鐘。
• TON：導(dǎo)通時(shí)間選擇控制輸入引腳，通過連接到不同的引腳可設(shè)置不同的開關(guān)頻率。

3. 反饋與檢測引腳

• FB：快速反饋輸入引腳，連接到外部電感和輸出電容節(jié)點(diǎn)的 junction。
• FBS：反饋遠(yuǎn)程感測輸入引腳，用于非電壓定位電路時(shí)直接連接到負(fù)載的VOUT，用于電壓定位電路時(shí)直接連接到FB附近以禁用FBS遠(yuǎn)程感測積分放大器。
• GNDS：地遠(yuǎn)程感測輸入引腳，用于非電壓定位電路時(shí)直接連接到負(fù)載的地，用于電壓定位電路時(shí)可通過電阻分壓器從REF偏置以增加輸出電壓。

4. 其他引腳

• PGOOD：開漏電源良好輸出引腳，用于指示輸出是否處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。
• D0 - D5：DAC代碼輸入引腳，用于編程輸出電壓。
• S0和S1：暫停模式電壓選擇輸入引腳，用于選擇暫停模式的VID代碼。

六、詳細(xì)工作原理

1. 5V偏置電源

MAX8720除了電池外，還需要一個(gè)外部5V偏置電源。通常，這個(gè)5V偏置電源是筆記本電腦的95%高效5V系統(tǒng)電源。將偏置電源置于IC外部可提高效率，并消除為PWM電路和柵極驅(qū)動(dòng)器供電所需的5V線性穩(wěn)壓器的成本。

2. 參考電壓（REF）

2V參考電壓在溫度和負(fù)載變化時(shí)精度可達(dá)±0.75%，可作為精確的系統(tǒng)參考。通過旁路電容將REF連接到GND，可提供高達(dá)100μA的源電流和10μA的灌電流，以支持外部負(fù)載。

3. 自由運(yùn)行、恒定導(dǎo)通時(shí)間PWM控制器

Quick - PWM控制架構(gòu)是一種偽固定頻率、恒定導(dǎo)通時(shí)間、電流模式類型，并帶有電壓前饋。該架構(gòu)利用輸出濾波電容的ESR作為電流感測電阻，輸出紋波電壓提供PWM斜坡信號(hào)。導(dǎo)通時(shí)間由一個(gè)單觸發(fā)電路決定，其周期與輸入電壓成反比，與輸出電壓成正比。

4. 導(dǎo)通時(shí)間單觸發(fā)（TON）

PWM核心的關(guān)鍵是設(shè)置高端開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的單觸發(fā)電路。該電路能根據(jù)電池和輸出電壓調(diào)整導(dǎo)通時(shí)間，使開關(guān)頻率接近恒定。導(dǎo)通時(shí)間的計(jì)算公式為：On - Time = K(V VOUT + 0.075 V) / VIN，其中K由TON引腳的連接方式?jīng)Q定。

5. 積分放大器和輸出電壓偏移

三個(gè)積分放大器用于對(duì)輸出調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，分別積分GNDS和AGND、FBS和FB、REF和DAC輸出之間的差值。這些放大器的輸出在芯片內(nèi)部直接相加，可通過一個(gè)電容輕松設(shè)置積分時(shí)間常數(shù)。

6. 強(qiáng)制PWM模式和自動(dòng)脈沖跳過切換

• 強(qiáng)制PWM模式：在低噪聲強(qiáng)制PWM模式下，零交叉比較器被禁用，允許電感電流在輕載時(shí)反向。該模式可保持開關(guān)頻率相對(duì)恒定，但會(huì)增加空載電池電流。
• 自動(dòng)脈沖跳過切換：在脈沖跳過模式下，當(dāng)輕載時(shí)會(huì)自動(dòng)切換到PFM模式。切換點(diǎn)由一個(gè)比較器決定，該比較器在電感電流過零時(shí)截?cái)嗟投碎_關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。

7. 電流限制電路

電流限制電路采用獨(dú)特的“谷值”電流感測算法，利用低端MOSFET的導(dǎo)通電阻作為電流感測元件。當(dāng)電流感測信號(hào)高于電流限制閾值時(shí)，PWM不允許啟動(dòng)新的周期。

8. MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器

DH和DL驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過優(yōu)化，可驅(qū)動(dòng)中等大小的高端和較大的低端功率MOSFET。自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間電路可防止高端FET在DL完全關(guān)斷之前導(dǎo)通。

9. VCC POR和UVLO

上電復(fù)位（POR）在VCC上升到約2V時(shí)發(fā)生，復(fù)位故障鎖存器并準(zhǔn)備PWM進(jìn)行操作。VCC欠壓鎖定（UVLO）電路會(huì)抑制開關(guān)，強(qiáng)制PGOOD為低電平，并強(qiáng)制DL柵極驅(qū)動(dòng)器為低電平。

10. 軟啟動(dòng)和軟關(guān)機(jī)

• 軟關(guān)機(jī)：當(dāng)SHDN引腳為低電平時(shí)，MAX8720進(jìn)入低功耗關(guān)機(jī)模式，輸出電壓以25mV的步長逐步下降到0V。
• 軟啟動(dòng)：當(dāng)SHDN引腳為高電平時(shí)，參考電源上電，經(jīng)過參考UVLO后，DAC目標(biāo)被評(píng)估并開始切換，輸出電壓以25mV的步長逐步上升到當(dāng)前選擇的代碼值。

11. 標(biāo)稱輸出電壓設(shè)置

MAX8720使用一個(gè)多路復(fù)用器從兩個(gè)不同的輸入（VID DAC輸入或暫停模式S0、S1輸入）中選擇。啟動(dòng)時(shí)，MAX8720將目標(biāo)電壓從地上升到解碼后的D0 - D5電壓或S0、S1電壓。

12. DAC輸入（D0 - D5）

數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）用于編程輸出電壓，通常從CPU引腳接收預(yù)設(shè)的數(shù)字代碼。在SMPS激活時(shí)，可更改D0 - D5以啟動(dòng)到新輸出電壓水平的轉(zhuǎn)換。

13. 暫停模式（S0、S1、SUS）

當(dāng)CPU進(jìn)入低功耗暫停模式時(shí)，處理器將調(diào)節(jié)器設(shè)置為較低的輸出電壓以降低功耗。MAX8720的暫停模式輸入（S0、S1）和數(shù)字SUS控制輸入可用于設(shè)置暫停電壓。

14. 輸出電壓過渡定時(shí)

MAX8720設(shè)計(jì)用于以受控方式執(zhí)行輸出電壓過渡，自動(dòng)最小化輸入浪涌電流。過渡時(shí)間取決于RTIME、電壓差和MAX8720的壓擺率時(shí)鐘精度，與總輸出電容無關(guān)。

15. 輸出過壓保護(hù)

過壓保護(hù)（OVP）電路用于保護(hù)CPU免受高端MOSFET短路的影響。當(dāng)輸出電壓超過2.25V時(shí)，OVP被觸發(fā)，電路關(guān)閉，DL低端柵極驅(qū)動(dòng)器輸出被鎖存為高電平。

16. 輸出欠壓關(guān)機(jī)

輸出欠壓保護(hù)（UVP）功能類似于折返電流限制，但使用定時(shí)器而不是可變電流限制。當(dāng)輸出電壓低于標(biāo)稱值的70%時(shí)，PWM被鎖存關(guān)閉，直到VCC電源循環(huán)或SHDN引腳被切換。

七、設(shè)計(jì)流程

1. 確定參數(shù)

在選擇開關(guān)頻率和電感工作點(diǎn)（紋波電流比）之前，需確定輸入電壓范圍和最大負(fù)載電流。主要的設(shè)計(jì)權(quán)衡在于選擇合適的開關(guān)頻率和電感工作點(diǎn)，以下四個(gè)因素決定了其余設(shè)計(jì)：

• 輸入電壓范圍：最大輸入電壓（VIN(MAX)）必須考慮最壞情況下的高交流適配器電壓，最小輸入電壓（VIN(MIN)）必須考慮連接器、保險(xiǎn)絲和電池選擇開關(guān)后的最低電池電壓。
• 最大負(fù)載電流：需要考慮峰值負(fù)載電流（ILOAD(MAX)）和連續(xù)負(fù)載電流（ILOAD），分別影響瞬時(shí)組件應(yīng)力和濾波要求以及熱應(yīng)力。
• 開關(guān)頻率：開關(guān)頻率的選擇決定了尺寸和效率之間的基本權(quán)衡，最佳頻率主要取決于最大輸入電壓和MOSFET技術(shù)的發(fā)展。
• 電感工作點(diǎn)：電感工作點(diǎn)的選擇提供了尺寸與效率、瞬態(tài)響應(yīng)與輸出紋波之間的權(quán)衡。低電感值可提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)和更小的物理尺寸，但會(huì)導(dǎo)致效率降低和輸出紋波增加。

2. 電感選擇

根據(jù)開關(guān)頻率和電感工作點(diǎn)，可通過公式(L=frac{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}{V{IN } f{SW } I{LOAD(MAX)} LIR })計(jì)算電感值。選擇低損耗、直流電阻盡可能低的電感，確保其在峰值電感電流下不飽和。

3. 瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算

電感紋波電流會(huì)影響瞬態(tài)響應(yīng)性能，尤其是在低VIN - VOUT差的情況下?？赏ㄟ^公式計(jì)算輸出電壓的下垂和過沖：

• 下垂：(V{S A G}=frac{Lleft(Delta I{L O A D(MAX)}right)left(K frac{V{OUT }}{V{I N}}+t{O F F(MIN)}right)}{2 C{OUT } V{OUT }left[Kleft(frac{V{I N}-V{OUT }}{V{I N}}right)-t_{OFF(MIN)}right]})
• 過沖：(V{SOAR } approx frac{left(Delta I{LOAD(MAX)}right)^{2} L}{2 C{OUT } V{OUT }})

4. 設(shè)置電流限制

最小電流限制閾值必須足夠大，以支持最大負(fù)載電流?？赏ㄟ^連接ILIM引腳到VCC設(shè)置默認(rèn)的100mV電流限制閾值，或通過連接電阻分壓器從REF到GND來調(diào)整電流限制閾值。

5. 輸出電容選擇

輸出濾波電容的選擇需考慮等效串聯(lián)電阻（ESR）和電容值，以滿足輸出紋波和負(fù)載瞬態(tài)要求。輸出電容的大小取決于最大ESR要求和防止輸出電壓下降過低所需的ESR。

6. 輸出電容穩(wěn)定性考慮

穩(wěn)定性取決于ESR零點(diǎn)相對(duì)于開關(guān)頻率的值，可通過公式(f{ESR} leq frac{f{SW }}{pi})和(R{ESR} × C{OUT } geq 1 /(2 × f_{S W}))來判斷。檢查穩(wěn)定性的方法是施加快速的零到最大負(fù)載瞬變，并觀察輸出電壓紋波包絡(luò)的過沖和振鈴。

7. 輸入電容選擇

輸入電容必須滿足紋波電流要求，通常選擇非鉭電容以抵抗浪涌電流。選擇在RMS輸入電流下溫度上升小于+10°C的輸入電容，以確保最佳的可靠性和壽命。

8. 功率MOSFET選擇

• 高端MOSFET：高端MOSFET（NH）必須能夠在VIN(MIN)和VIN(MAX)下耗散電阻損耗和開關(guān)損耗。選擇傳導(dǎo)損耗等于開關(guān)損耗的高端MOSFET可實(shí)現(xiàn)最大效率。
• 低端MOSFET：選擇導(dǎo)通電阻盡可能低、封裝適中且價(jià)格合理的低端MOSFET（NL），確保MAX8720 DL柵極驅(qū)動(dòng)器能夠提供足夠的電流來支持柵極電荷和寄生電容注入的電流。

9. 功率MOSFET耗散計(jì)算

• 高端MOSFET：高端MOSFET的最壞情況傳導(dǎo)損耗發(fā)生在最小輸入電壓下，開關(guān)損耗的計(jì)算較為復(fù)雜，需考慮多種因素。
• 低端MOSFET：低端MOSFET的最壞情況功率耗散總是發(fā)生在最大電池電壓下。

10. 肖特基二極管選擇

選擇正向電壓降足夠低的肖特基二極管（DL），以防止低端MOSFET的體二極管在死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。一般選擇直流電流額定值為負(fù)載電流1/3的二極管。

11. 升壓電容選擇