MAX1638：高性能CPU電源降壓控制器的設(shè)計與應(yīng)用

在當(dāng)今的高端計算機系統(tǒng)中，CPU電源的穩(wěn)定性和高效性至關(guān)重要。MAX1638作為一款超高性能的降壓DC - DC控制器，為CPU電源提供了出色的解決方案。下面我們就來詳細了解一下MAX1638的特點、應(yīng)用以及設(shè)計要點。

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一、產(chǎn)品概述

MAX1638是專為高端計算機系統(tǒng)中的CPU電源設(shè)計的BiCMOS電源控制器，采用開關(guān)模式降壓（buck）拓撲結(jié)構(gòu)的DC - DC轉(zhuǎn)換器。它具備以下顯著特點：

1. 高精度輸出：輸出電壓精度在負載和線路變化時優(yōu)于±1%，能為CPU提供穩(wěn)定的電源。
2. 高效率：通過同步整流技術(shù)，效率超過90%，有效降低功耗。
3. 快速瞬態(tài)響應(yīng)：能快速糾正由動態(tài)時鐘CPU引起的輸出瞬變，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
4. 可編程輸出：輸出電壓可通過數(shù)字方式在1.3V至3.5V之間進行編程，滿足不同CPU的需求。
5. 高開關(guān)頻率：開關(guān)頻率可通過引腳選擇300kHz、600kHz或1MHz，允許使用小尺寸的表面貼裝電感器，減少輸出濾波電容需求，降低電路板面積和系統(tǒng)成本。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

MAX1638廣泛應(yīng)用于多種計算機系統(tǒng)和設(shè)備，包括：

1. 處理器系統(tǒng)：如Pentium Pro、Pentium II、PowerPC、Alpha和K6等系統(tǒng)。
2. 工作站和臺式計算機：為CPU提供穩(wěn)定的電源，確保系統(tǒng)性能。
3. LAN服務(wù)器：滿足服務(wù)器對電源穩(wěn)定性和高效性的要求。
4. GTL總線終端：為總線提供合適的電源。

三、關(guān)鍵技術(shù)解析

1. 電流模式PWM控制器

MAX1638的核心是一個多輸入開環(huán)比較器，它將緩沖反饋信號、電流感測信號和斜率補償斜坡信號相加，實現(xiàn)對輸出電壓的逐周期控制。誤差放大器將放大后的反饋電壓與內(nèi)部參考電壓進行比較，生成輸出電壓誤差信號。這種直接求和的配置接近理想的逐周期控制，能有效調(diào)節(jié)輸出電壓。

2. 內(nèi)部參考電壓

內(nèi)部3.5V參考電壓（REF）在0°C至+85°C范圍內(nèi)精度為±1%，可作為系統(tǒng)參考。使用時需用0.1μF（最?。┨沾呻娙輰EF旁路到AGND，對于高電流應(yīng)用，建議使用更大值的電容（如2.2μF）。負載調(diào)節(jié)在負載高達100μA時為10mV，參考欠壓鎖定在2.7V至3V之間，短路電流小于4mA。

3. 同步整流驅(qū)動器

同步整流通過用低導(dǎo)通電阻的MOSFET開關(guān)替代普通的肖特基二極管或MOSFET體二極管，減少整流器中的傳導(dǎo)損耗。同時，同步整流器還能通過預(yù)充電用于高端開關(guān)柵極驅(qū)動電路的升壓電荷泵，確保正確啟動。DL驅(qū)動波形是DH高端驅(qū)動波形的互補信號，典型控制死區(qū)時間為30ns，可防止交叉導(dǎo)通或直通。DL輸出的導(dǎo)通電阻典型值為0.7Ω，最大值為2Ω。

4. BST高端柵極驅(qū)動電源和MOSFET驅(qū)動器

高端N溝道開關(guān)的柵極驅(qū)動電壓通過飛電容升壓電路生成。電容交替從+5V電源充電，并與高端MOSFET的柵極和源極端子并聯(lián)。柵極驅(qū)動電阻（R3和R4）可用于減少開關(guān)波形中的抖動，但可能會增加開關(guān)損耗，一般1Ω至5Ω的低值電阻適用于許多應(yīng)用。

5. GlitchCatcher電流提升驅(qū)動器

MAX1638包含可選的GlitchCatcher電流提升電路驅(qū)動器，用于在需要在幾十納秒內(nèi)提供幾安培負載電流的應(yīng)用中改善瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸出電壓下降超過2%時，P溝道或N溝道開關(guān)導(dǎo)通，直接從VIN或地向輸出注入電流，迫使輸出恢復(fù)到調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。驅(qū)動器的響應(yīng)時間典型值為75ns，最小導(dǎo)通時間典型值為100ns。在輸出電壓小于2V和使用最小輸出電容的應(yīng)用中，GlitchCatcher能發(fā)揮最大優(yōu)勢。

6. 電流感測和過載電流限制

電流感測電路在通過感測電阻（R1）的電流使CSH和CSL之間的電壓差超過峰值電流限制（典型值100mV）時，重置主PWM鎖存器并關(guān)閉高端MOSFET開關(guān)。電流模式控制提供逐周期電流限制能力，實現(xiàn)最大過載保護。在正常運行時，感測電阻設(shè)定的峰值電流限制決定最大輸出電流。當(dāng)輸出短路時，由于電流感測比較器的延遲，峰值電流可能高于設(shè)定的電流限制，因此采用折返電流限制，當(dāng)輸出（反饋）電壓下降時，將設(shè)定的電流限制點從100mV降低到38mV。短路條件消除后，反饋電壓上升，電流限制電壓恢復(fù)到100mV。

7. 過壓保護

當(dāng)輸出超過設(shè)定電壓時，同步整流器（N2）被驅(qū)動為高電平（N1被驅(qū)動為低電平），使電感器迅速消耗存儲的能量，并迫使故障電流流向地。由于電流受源阻抗和電流路徑寄生電阻的限制，因此需要在+5V輸入串聯(lián)一個保險絲，以防止低阻抗故障，如高端MOSFET短路。否則，低端MOSFET最終可能會損壞。如果輸入電壓下降到欠壓鎖定點以下，DL將變?yōu)榈碗娖健?/p>

8. 內(nèi)部軟啟動

軟啟動允許在啟動時逐漸增加內(nèi)部電流限制，以減少輸入浪涌電流。內(nèi)部DAC在1536個振蕩器周期內(nèi)分四個步驟（25mV、50mV、75mV和100mV）將電流限制閾值從0V提高到100mV。

四、設(shè)計步驟

1. 設(shè)置輸出電壓

通過D0 - D4引腳選擇輸出電壓，MAX1638使用內(nèi)部5位DAC作為反饋電阻分壓器。輸出電壓可通過D0 - D4輸入在1.3V至3.5V之間進行數(shù)字設(shè)置。D0 - D4為邏輯輸入，接受TTL和CMOS電壓電平。MAX1638具有FB和AGND輸入，允許采用開爾文連接進行遠程電壓和接地感測，以消除走線電阻對反饋電壓的影響。

2. 選擇誤差放大器增益

根據(jù)CPU的電壓精度要求設(shè)置誤差放大器增益。MAX1638的環(huán)路增益控制輸入（LG）允許在DC/AC電壓精度與輸出濾波電容要求之間進行權(quán)衡。通過將LG連接到不同的引腳（VCC、REF或GND），可將AC負載調(diào)節(jié)設(shè)置為2%、1%或0.5%。DC負載調(diào)節(jié)通常比AC負載調(diào)節(jié)好10倍，由LG引腳設(shè)置的增益決定。

3. 指定電感器

需要指定電感器的三個關(guān)鍵參數(shù)：電感值（L）、峰值電流（IPEAK）和直流電阻（RDC）。電感值可根據(jù)公式 (L=frac{V{OUT }left(V{IN(MAX) }-V{OUT }right)}{V{IN(MAX) } × f{OSC } × I{OUT } × LIR }) 計算，其中LIR為電感器峰 - 峰交流電流與直流負載電流的比值，典型值在0.1至0.5之間，一般取0.3。峰值電流可根據(jù)公式 (PEAK = I{OUT }+frac{V{OUT }left(V{IN(MAX) }-V{OUT }right)}{2 f{OSC } × L × V{IN(MAX)}}) 計算。電感器的直流電阻應(yīng)小于電流感測電阻值，以確保高效性能。

4. 計算電流感測電阻值

根據(jù)電氣特性中的最壞情況最小電流限制閾值電壓和服務(wù)最大負載所需的峰值電感電流計算電流感測電阻值，公式為 (R{SENSE }=frac{85 mV}{I{PEAK }}) 。建議使用低電感電阻，如表面貼裝功率金屬條電阻。電流感測電阻的功率額定值應(yīng)高于 (P{SENSE } geq frac{(115 mV)^{2}}{R{SENSE }}) ，在高電流應(yīng)用中，可根據(jù)需要并聯(lián)多個電阻以獲得所需的電阻和功率額定值。

5. 選擇輸出濾波電容

輸出濾波電容值通常由有效串聯(lián)電阻（ESR）和電壓額定要求決定，而不是由環(huán)路穩(wěn)定性所需的實際電容值決定。由于MAX1638應(yīng)用中的高開關(guān)電流和嚴格的調(diào)節(jié)要求，應(yīng)使用專為開關(guān)調(diào)節(jié)器應(yīng)用設(shè)計的低ESR電容，如Kemet T510、AVX TPS、Sprague 595D、Sanyo OS - CON或Sanyo GX系列。為確保穩(wěn)定性，電容必須滿足最小電容和最大ESR值的要求，公式分別為 (C{OUT }>frac{V{REF }left(1+frac{V{OUT }}{V{IN (MIN) }}right)}{V{OUT } × R{SENSE } × f{OSC }}) 和 (R{ESR}

6. 補償反饋環(huán)路

為防止因不穩(wěn)定導(dǎo)致的輸出紋波過大和效率低下，需要對反饋環(huán)路進行適當(dāng)補償。補償通過在反饋網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置相應(yīng)的零點和極點來抵消DC - DC轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)中由功率開關(guān)和濾波元件產(chǎn)生的不需要的極點和零點。具體來說：

• 取消采樣極點和輸出濾波ESR零點：通過將電阻和電容串聯(lián)從CC1引腳連接到AGND來補償快速電壓反饋環(huán)路。CC1的極點可設(shè)置為抵消濾波電容ESR產(chǎn)生的零點，電容值為 (CC 1=frac{C{OUT } × R{ESR}}{10 k Omega}) 。電阻RC1設(shè)置一個零點，用于補償開關(guān)頻率產(chǎn)生的采樣極點，其值為 (RC 1=frac{left(1+frac{V{OUT }}{V{IN }}right)}{2 f_{OSC } × C C 1}) 。
• 設(shè)置主導(dǎo)極點并取消負載和輸出濾波極點：通過在CC2引腳到AGND之間添加陶瓷電容來補償慢速電壓反饋環(huán)路。這是一個積分器環(huán)路，用于消除DC負載調(diào)節(jié)誤差。選擇電容CC2設(shè)置主導(dǎo)極點和補償零點，零點通常用于取消最大負載電流時由負載和輸出濾波電容產(chǎn)生的不需要的極點，其值為 (CC 2=frac{1 mmho × C{OUT }}{4} × frac{V{OUT }}{I_{OUT(MAX) }}) 。

7. 選擇MOSFET開關(guān)

兩個高電流N溝道MOSFET必須是邏輯電平類型，在 (V_{GS}=4.5V) 時具有保證的導(dǎo)通電阻規(guī)格。較低的柵極閾值規(guī)格更好（如最大2V而非最大3V），柵極電荷應(yīng)小于200nC，以最小化開關(guān)損耗并降低功耗。MOSFET的功率損耗主要由 (I^{2}R) 損耗和柵極電荷損耗組成，需要根據(jù)封裝熱阻規(guī)格計算溫度上升，確保MOSFET處于安全的結(jié)溫范圍內(nèi)。

8. 計算IC功率損耗

IC的功率損耗主要由流入兩個MOSFET的平均柵極電荷電流決定，平均電流近似為 (IDD=left(Q{G 1}+Q{G 2}right) × fosc) ，其中 (Q{G}) 為每個MOSFET的總柵極電荷， (fOSC) 為開關(guān)頻率。IC的功率損耗為 (PD = ICC × VCC + IDD × VDD) ，其中 (ICC) 為IC的靜態(tài)電源電流。IC的結(jié)溫主要取決于PCB布局，可通過公式 (T{J}=P{D} × theta{JA}+T{A}) 計算，其中 (TA) 為環(huán)境溫度， (theta{J A}) 為等效結(jié)到環(huán)境的熱阻。

9. 選擇整流二極管

整流二極管D1用于在高端MOSFET關(guān)閉和低端MOSFET同步整流器開啟之間的典型30ns死區(qū)時間內(nèi)捕獲電感器的負向擺動。D1必須是肖特基二極管，以防止MOSFET體二極管導(dǎo)通?？梢允÷訢1，讓體二極管捕獲負向擺動，但效率會下降約1%。對于負載高達3A的情況，可使用1N5819二極管；對于負載高達10A的情況，可使用1N5822二極管。

10. 添加BST電源二極管和電容

在大多數(shù)應(yīng)用中，如1N4148等信號二極管可用于D2，低泄漏肖特基二極管可提供稍高的效率，但要注意避免使用大的功率二極管。使用0.1μF電容將BST旁路到LX。

11. 選擇輸入電容

在VCC和AGND之間以及VDD和PGND之間，靠近VCC和VDD引腳（0.2英寸或5mm以內(nèi)）放置0.1μF陶瓷電容和10μF電容。選擇低ESR輸入濾波電容，其紋波電流額定值應(yīng)超過RMS輸入紋波電流，必要時可并聯(lián)多個電容。RMS輸入紋波電流由輸入電壓和負載電流決定，最壞情況發(fā)生在 (V{IN }=2 × VOUT) 時，計算公式為 (RMS =I{LOAD (MAX) } frac{sqrt{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}}{V{IN }}) ，當(dāng) (V{IN }=2 V{OUT }) 時， (RMS =I_{OUT } / 2) 。

12. 選擇GlitchCatcher MOSFET

電流提升電路需要P溝道和N溝道開關(guān)以及一個串聯(lián)電阻。MOSFET和限流電阻中的電流必須足以提供負載電流，并留有足夠的余量以實現(xiàn)快速輸出調(diào)節(jié)而不過度過沖。設(shè)計時，提升電流值應(yīng)為最大負載電流的1.5倍，并選擇MOSFET和限流電阻，滿足 (R{D S O N, P(M A X)}+R{L I M I T}=frac{V{I N}-V{O U T}}{1.5 I{OUT(M A X)}}) 和 (R{DSON,N(MAX) }+R{LIMIT }=frac{V{OUT }}{1.5 I_{OUT(MAX) }}) ?？赡苄枰褂脰艠O電阻來減慢過渡邊緣。

五、應(yīng)用注意事項

1. 效率考慮

可參考MAX796 - MAX799數(shù)據(jù)手冊來計算損耗并提高效率。

2. PCB布局考慮

在高電流、高頻率開關(guān)電源中，良好的PCB布局和布線對于實現(xiàn)良好的調(diào)節(jié)、高效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。建議盡量遵循評估套件的PCB布局，并考慮以下幾點：

• 多層板使用：在大多數(shù)應(yīng)用中，使用多層板，充分利用四個或更多銅層。頂層用于高電流電源和接地連接，底層用于安靜連接（REF、FB、AGND），內(nèi)層用于不間斷的接地平面。
• 元件布局：將高功率元件（如C1、R1、N1、D1、N2、L1和C2）盡可能靠近放置，最小化高電流路徑的接地走線長度和高電流路徑的走線長度。
• 接地處理：使用頂層銅填充區(qū)域（偽接地平面）連接功率元件的接地端子，并通過過孔將頂層偽接地平面連接到內(nèi)層接地平面，以減少IR降和接地噪聲的干擾。

總之，MAX1638為CPU電源設(shè)計提供了一個高性能、高效率的解決方案。通過合理的設(shè)計和布局，能夠滿足各種高端計算機系統(tǒng)對CPU電源的嚴格要求。在實際應(yīng)用中，工程師們還需要根據(jù)具體需求進行細致的調(diào)試和優(yōu)化，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。大家在使用MAX1638進行設(shè)計時，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。