深入解析 MAX1716/MAX1854/MAX1855：高速可調(diào)同步降壓控制器

在當今的電子設(shè)備中，尤其是筆記本電腦等對電源管理要求極高的設(shè)備，高效穩(wěn)定的 CPU 核心電源供應至關(guān)重要。MAX1716/MAX1854/MAX1855 這三款同步降壓控制器，憑借其出色的性能，成為了筆記本電腦 CPU 核心電源轉(zhuǎn)換器的理想選擇。

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產(chǎn)品概述

MAX1716/MAX1854/MAX1855 專為筆記本電腦的 CPU 核心 DC - DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計，具有動態(tài)可調(diào)輸出（5 位 DAC）、超快速瞬態(tài)響應、高直流精度和高效率等特點，能滿足前沿 CPU 核心電源的需求。其采用的 Quick - PWM? 快速響應、恒定導通時間 PWM 控制方案，能輕松處理寬輸入/輸出電壓比，在保持相對恒定開關(guān)頻率的同時，提供 100ns 的“即時導通”負載瞬態(tài)響應。

主要特性

1. 高效電壓定位：通過電壓定位輸入（VPS）和高直流精度控制環(huán)路，可根據(jù)負載電流調(diào)整輸出設(shè)定點，降低滿載功耗，減少輸出電容數(shù)量。
2. Quick - PWM 架構(gòu)：獨特的控制架構(gòu)，能有效處理快速負載變化，保持相對穩(wěn)定的工作頻率和電感工作點。
3. 高精度輸出：±1% 的 VOUT 線路調(diào)節(jié)精度，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。
4. 可調(diào)輸出范圍：不同型號具有不同的可調(diào)輸出范圍，如 MAX1716 為 0.925V 至 1.6V，MAX1854 為 0.925V 至 2.0V，MAX1855 為 0.600V 至 1.75V。
5. 寬輸入范圍：2V 至 28V 的輸入范圍，可適應不同的電源環(huán)境。
6. 多種保護功能：具備輸出欠壓保護、過壓保護（MAX1716/MAX1855）等，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
7. 低功耗設(shè)計：1μA 的關(guān)斷電源電流，降低系統(tǒng)功耗。

工作原理

恒導通時間 PWM 控制器

Quick - PWM 控制架構(gòu)是一種具有電壓前饋的恒導通時間、電流模式類型。它依靠輸出紋波電壓提供 PWM 斜坡信號，輸出濾波電容的 ESR 充當反饋電阻?？刂扑惴ê唵?，高端開關(guān)導通時間由一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器決定，其周期與輸入電壓成反比，與輸出電壓成正比。另一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設(shè)置最小關(guān)斷時間（典型值 400ns）。當誤差比較器為低電平、低端開關(guān)電流低于電流限制閾值且最小關(guān)斷時間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器超時，導通時間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被觸發(fā)。

導通時間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（TON）

PWM 核心的關(guān)鍵是設(shè)置高端開關(guān)導通時間的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。它能根據(jù)輸入和輸出電壓調(diào)整導通時間，使高端開關(guān)導通時間與 V + 成反比，與 DAC 代碼設(shè)置的輸出電壓成正比。這種算法在沒有固定頻率時鐘發(fā)生器的情況下，實現(xiàn)了近乎恒定的開關(guān)頻率，帶來避免噪聲敏感區(qū)域和保持電感紋波電流工作點相對恒定的好處。

自動脈沖跳過切換

在跳過模式（(overline{SKIP} = low)）下，輕載時會自動切換到 PFM 模式。通過比較器在電感電流過零時截斷低端開關(guān)導通時間，使脈沖跳過 PFM 和非跳過 PWM 操作的閾值與連續(xù)和不連續(xù)電感電流操作的邊界一致。

強制 PWM 模式（(overline{SKIP} = High)）

低噪聲的強制 PWM 模式禁用控制低端開關(guān)導通時間的過零比較器，使低端柵極驅(qū)動波形成為高端柵極驅(qū)動波形的互補。這導致輕載時電感電流反向，保持開關(guān)頻率近乎恒定，但會增加空載電源電流。

電流限制電路（ILIM）

采用獨特的“谷值”電流傳感算法，當電流傳感信號高于電流限制閾值時，控制器不會啟動新的周期。實際峰值電流比電流限制閾值大一個等于電感紋波電流的值。還有負電流限制，防止 VOUT 吸收電流時電感反向電流過大。

MOSFET 柵極驅(qū)動器（DH 和 DL）

DH 和 DL 驅(qū)動器針對驅(qū)動中等大小的高端和較大的低端功率 MOSFET 進行了優(yōu)化。自適應死區(qū)時間電路監(jiān)控 DL 輸出，防止高端 FET 在 DL 完全關(guān)斷之前導通。

DAC 轉(zhuǎn)換器（D0–D4）

數(shù)字 - 模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）用于編程輸出電壓，接收來自 VID 輸入（D0–D4）的預設(shè)數(shù)字代碼。D0 - D4 可在調(diào)節(jié)器工作時更改，同步更改可避免輸出電壓過渡時的錯誤。

關(guān)斷（SHDN）

將 SHDN 驅(qū)動為低電平可使控制器進入低電流關(guān)斷狀態(tài)，關(guān)斷時開啟低端 MOSFET，將輸出電容放電并使輸出接地。將 SHDN 驅(qū)動或連接到 VCC 可進行正常操作，SHDN 上升沿可清除故障鎖存器。

上電復位

當 VCC 上升到約 2V 以上時，發(fā)生上電復位，復位故障鎖存器和軟啟動計數(shù)器，為調(diào)節(jié)器的運行做好準備。

欠壓鎖定和軟啟動

VCC 欠壓鎖定（UVLO）電路抑制開關(guān)操作，強制 VGATE 為低電平，并驅(qū)動 DL 輸出為高電平。VCC 電壓低于 4.2V 時，假設(shè)電源電壓不足以做出有效決策，為保護輸出免受過壓故障影響，DL 被強制為高電平。VCC 上升到 4.2V 以上后，內(nèi)部數(shù)字軟啟動定時器開始逐步增加最大允許電流限制。

電源良好輸出（VGATE）

VGATE 是窗口比較器的開漏輸出，只要輸出電壓在調(diào)節(jié)電壓的 ±10% 范圍內(nèi)，就保持高阻抗。輸出電壓超出該范圍或出現(xiàn)故障時，內(nèi)部 MOSFET 激活，將輸出拉低。

輸出過壓保護（僅 MAX1716/MAX1855）

過壓保護（OVP）電路用于防止高端 MOSFET 短路，持續(xù)監(jiān)控輸出電壓，超過 OVP 閾值時觸發(fā)并關(guān)閉電路，DL 低端柵極驅(qū)動器輸出鎖定為高電平，直到 SHDN 切換或 VCC 脈沖低于 1V。

輸出欠壓保護

輸出欠壓保護（UVP）功能類似于折返電流限制，采用定時器而非可變電流限制。調(diào)節(jié)器輸出電壓低于標稱值的 40% 且經(jīng)過 20ms 欠壓故障消隱時間后，PWM 鎖定關(guān)閉，直到 SHDN 切換或 VCC 脈沖低于 1V 才重啟。

熱故障保護

當溫度高于 +150°C 時，DL 低端柵極驅(qū)動器輸出鎖定為高電平，直到 SHDN 切換或 VCC 脈沖低于 1V。閾值有 +10°C 的熱滯回，防止調(diào)節(jié)器在芯片冷卻前重啟。

無故障測試模式

為方便調(diào)試原型面包板，提供無故障測試模式，禁用 OVP、UVP 和熱關(guān)斷功能，并清除故障鎖存器。通過外部負電壓源和電阻從 SKIP 吸收 1.5mA 電流進入該模式。

設(shè)計要點

輸入電壓范圍和最大負載電流

在選擇開關(guān)頻率和電感工作點之前，需明確輸入電壓范圍和最大負載電流。輸入電壓范圍的最大值要考慮最壞情況下的高交流適配器電壓，最小值要考慮連接器、保險絲和電池選擇開關(guān)后的最低輸入電壓。最大負載電流包括峰值負載電流和連續(xù)負載電流，分別影響瞬時組件應力、濾波要求和熱應力。

開關(guān)頻率

開關(guān)頻率的選擇決定了尺寸和效率之間的權(quán)衡。最佳頻率主要取決于最大輸入電壓，同時也受 MOSFET 技術(shù)進步的影響。

電感工作點

電感工作點影響尺寸和效率的權(quán)衡。低電感值會導致大紋波電流，尺寸小但效率低、輸出噪聲高。最佳點通常在 20% 至 50% 紋波電流之間。

電感選擇

根據(jù)開關(guān)頻率和工作點（紋波百分比或 LIR）確定電感值，選擇低損耗、直流電阻盡可能低且能適應規(guī)定尺寸的電感。

電流限制設(shè)置

最小電流限制閾值要足夠大以支持最大負載電流，可通過將 ILIM 連接到 VCC 設(shè)置默認 120mV 電流限制閾值，或使用可調(diào)模式。

輸出電容選擇

輸出濾波電容的 ESR 要足夠低以滿足輸出紋波和負載瞬態(tài)要求，同時要足夠高以滿足穩(wěn)定性要求。電容值要足夠大以吸收電感能量，防止過壓保護電路觸發(fā)。

輸入電容選擇

輸入電容要滿足紋波電流要求，對于大多數(shù)應用，非鉭電容類型更受青睞，選擇在 RMS 輸入電流下溫度上升小于 +10°C 的電容以確保電路壽命。

功率 MOSFET 選擇

選擇高端 MOSFET 時，要使傳導損耗和開關(guān)損耗在平均輸入電壓下相等；選擇低端 MOSFET 時，要選擇導通電阻盡可能低、封裝適中且價格合理的器件。

電壓定位設(shè)置（VPS）

電壓定位可根據(jù)負載電流動態(tài)改變輸出電壓設(shè)定點，減少功耗。通過小值感測電阻（RSENSE）設(shè)置電壓變化量，可通過多種方式設(shè)置 VPS 電壓。

電壓定位補償（CC）

電壓定位補償電容過濾放大后的 VPS 信號，用戶可通過連接 47pF 至 1000pF 的電容從 CC 到 GND 調(diào)整電壓定位環(huán)路的動態(tài)特性。

應用問題

電壓定位和有效效率

電壓定位可減少輸出電容數(shù)量，降低高負載電流時的功耗。通過比較傳統(tǒng)電路和電壓定位電路的總電壓變化，可看出電壓定位電路的優(yōu)勢。有效效率是指非電壓定位電路達到與電壓定位電路相同總功耗所需的效率。

降壓性能

連續(xù)導通操作的輸出電壓可調(diào)范圍受不可調(diào)的 500ns（最大）最小關(guān)斷時間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器限制。為獲得最佳降壓性能，可使用較慢的（200kHz）導通時間設(shè)置。接近降壓點時，降壓調(diào)節(jié)器的瞬態(tài)響應性能較差，可能需要增加大容量輸出電容。

調(diào)整 VOUT

可使用電阻分壓器調(diào)整輸出電壓，但會導致開關(guān)頻率變化。調(diào)整輸出電壓高于 2V 時，可通過在電池感測輸入（V +）添加電阻分壓器來補償頻率變化。

單級（電池輸入）與兩級（5V 輸入）應用

單級應用總電感尺寸小、電容少，瞬態(tài)響應好，總效率高；兩級應用電路尺寸小、局部功耗低，可靈活放置，可通過電壓定位轉(zhuǎn)換器彌補瞬態(tài)響應慢的問題。

陶瓷輸出電容應用

陶瓷電容具有超低 ESR、不可燃、體積小、無極性等優(yōu)點，但價格昂貴、易碎，超低 ESR 特性可能導致過高的 ESR 零頻率。在電壓定位電路中，MAX1716 可充分利用陶瓷輸出電容的優(yōu)點，通過增加定位電阻降低有效 ESR 零頻率。

PCB 布局指南

精心的 PCB 布局對于實現(xiàn)低開關(guān)損耗和穩(wěn)定運行至關(guān)重要。要保持高電流路徑短，連接所有模擬地到單獨的實心銅平面，保持電源走線和負載連接短，使用 Kelvin 感測連接進行電流限制，合理權(quán)衡走線長度，確保 FB 連接短而直接，將高速開關(guān)節(jié)點遠離敏感模擬區(qū)域。

總結(jié)

MAX1716/MAX1854/MAX1855 同步降壓控制器以其先進的技術(shù)和豐富的功能，為筆記本電腦 CPU 核心電源供應提供了高效、穩(wěn)定的解決方案。在設(shè)計過程中，工程師需要綜合考慮輸入電壓范圍、負載電流、開關(guān)頻率、電感和電容選擇等多個因素，同時注意 PCB 布局的細節(jié)，以充分發(fā)揮這些控制器的性能優(yōu)勢，滿足不同應用場景的需求。你在實際應用中是否遇到過類似控制器的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。