MAX1717：筆記本CPU動(dòng)態(tài)可調(diào)同步降壓控制器深度解析

一、引言

在筆記本電腦的設(shè)計(jì)中，CPU核心電源的穩(wěn)定供應(yīng)至關(guān)重要。MAX1717作為一款專為筆記本CPU核心DC - DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的降壓控制器，憑借其動(dòng)態(tài)可調(diào)輸出、超快瞬態(tài)響應(yīng)、高DC精度和高效率等特點(diǎn)，成為了眾多工程師的選擇。本文將深入剖析MAX1717的各項(xiàng)特性、工作原理、應(yīng)用場景以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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二、產(chǎn)品概述

MAX1717專為筆記本電腦的核心CPU DC - DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，具有動(dòng)態(tài)可調(diào)輸出、超快瞬態(tài)響應(yīng)、高DC精度和高效率等特性，能滿足前沿CPU核心電源的需求。其采用了Maxim的專有Quick - PWM?快速響應(yīng)、恒定導(dǎo)通時(shí)間PWM控制方案，可輕松處理寬輸入/輸出電壓比，并在負(fù)載瞬變時(shí)提供100ns的“即時(shí)導(dǎo)通”響應(yīng)，同時(shí)保持相對恒定的開關(guān)頻率。

2.1 產(chǎn)品特性

• Quick - PWM架構(gòu)：在整個(gè)線路和負(fù)載范圍內(nèi)具有±1%的VOUT精度。
• 5位板載DAC與輸入多路復(fù)用器：可實(shí)現(xiàn)0.925V至2V的輸出調(diào)節(jié)范圍，具備精確可調(diào)的VOUT壓擺控制。
• 支持電壓定位應(yīng)用：電池輸入范圍為2V至28V，需要單獨(dú)的 + 5V偏置電源。
• 靈活的開關(guān)頻率：支持200/300/550/1000kHz開關(guān)頻率。
• 保護(hù)功能齊全：具備過/欠壓保護(hù)，可驅(qū)動(dòng)大型同步整流FET。
• 低功耗：典型ICC電源電流為700μA，關(guān)機(jī)電源電流僅2μA。
• 小封裝：采用24引腳QSOP封裝。

2.2 應(yīng)用場景

• 配備SpeedStep?或其他動(dòng)態(tài)可調(diào)處理器的筆記本電腦。
• 2節(jié)至4節(jié)Li + 電池到CPU核心電源的轉(zhuǎn)換器。
• 5V到CPU核心電源的轉(zhuǎn)換器。

三、工作原理

3.1 +5V偏置電源

MAX1717除電池外還需要一個(gè)外部 + 5V偏置電源，通常為筆記本電腦效率達(dá)95%的 + 5V系統(tǒng)電源。將偏置電源置于IC外部可提高效率并降低成本。若需要獨(dú)立工作能力，可使用外部線性穩(wěn)壓器生成 + 5V電源。

3.2 自由運(yùn)行、恒定導(dǎo)通時(shí)間PWM控制器與輸入前饋

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，帶有電壓前饋。它依賴輸出濾波電容的ESR作為電流傳感電阻，輸出紋波電壓提供PWM斜坡信號。高側(cè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間由一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器決定，其與輸入電壓成反比，與輸出電壓成正比。

3.3 導(dǎo)通時(shí)間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（TON）

PWM核心的關(guān)鍵是設(shè)置高側(cè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。它能根據(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)間計(jì)算公式為[On - Time =K(V VOUT +0.075 V) / V_{IN }]，K值由TON引腳連接設(shè)置。

3.4 積分放大器

三個(gè)積分放大器可對輸出調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)。一個(gè)放大器積分GNDS和GND之間的差值，第二個(gè)積分FBS和FB之間的差值，第三個(gè)積分REF和DAC輸出之間的差值。積分塊可降低輸出電壓2%，提高6%，能校正約90%的總誤差。

3.5 自動(dòng)脈沖跳頻切換

在跳頻模式（SKP/SDN高）下，輕載時(shí)會(huì)自動(dòng)切換到PFM模式。通過比較器在電感電流過零時(shí)截?cái)嗟蛡?cè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間實(shí)現(xiàn)切換，切換閾值與電感電流的連續(xù)和不連續(xù)運(yùn)行邊界一致。

3.6 強(qiáng)制PWM模式（SKP/SDN開路）

低噪聲強(qiáng)制PWM模式可禁用控制低側(cè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的過零比較器，使電感電流在輕載時(shí)反向，保持開關(guān)頻率相對恒定，但無載電池電流會(huì)增加。

3.7 電流限制電路

采用獨(dú)特的“谷值”電流傳感算法，使用低側(cè)MOSFET的導(dǎo)通電阻作為電流傳感元件。電流限制閾值可通過外部電阻分壓器在50mV至300mV范圍內(nèi)調(diào)整，默認(rèn)值為100mV。

3.8 MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器（DH，DL）

DH和DL驅(qū)動(dòng)器針對驅(qū)動(dòng)中等大小的高側(cè)和較大的低側(cè)功率MOSFET進(jìn)行了優(yōu)化。自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間電路可防止高側(cè)FET在DL完全關(guān)斷前導(dǎo)通，DH關(guān)斷時(shí)的死區(qū)時(shí)間由固定35ns（典型值）的內(nèi)部延遲決定。

3.9 POR、關(guān)機(jī)和UVLO

上電復(fù)位（POR）在VCC升至約2V以上時(shí)發(fā)生，復(fù)位故障鎖存器并準(zhǔn)備PWM運(yùn)行。VCC欠壓鎖定（UVLO）電路會(huì)抑制開關(guān)操作。關(guān)機(jī)時(shí)，SKP/SDN變低，MAX1717進(jìn)入低功耗關(guān)機(jī)模式。當(dāng)VCC電壓下降觸發(fā)UVLO比較器時(shí)，DL會(huì)被強(qiáng)制拉高。

3.10 DAC輸入D0–D4和A/B內(nèi)部多路復(fù)用器

DAC用于編程輸出電壓，通常接收來自CPU引腳的預(yù)設(shè)數(shù)字代碼。A/B內(nèi)部多路復(fù)用器可選擇兩個(gè)編程DAC代碼和輸出電壓之一，通過A/B引腳控制A模式和B模式。

3.11 輸出電壓過渡時(shí)序

MAX1717可控制輸出電壓過渡，自動(dòng)最小化輸入浪涌電流。過渡在25mV步長下進(jìn)行，總時(shí)間取決于RTIME、電壓差和壓擺率時(shí)鐘精度。過渡時(shí)間計(jì)算公式為[leq 4 mu S+left[frac{1}{f{S L E W}}left(1+frac{V{O L D}-V_{N E W}}{25 mV}right)right]]。

3.12 輸出過壓和欠壓保護(hù)

過壓保護(hù)（OVP）電路可防止高側(cè)MOSFET短路，當(dāng)輸出電壓超過2.25V時(shí)觸發(fā)，DL低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出被鎖存為高。輸出欠壓關(guān)機(jī)（UVP）功能類似于折返電流限制，當(dāng)輸出電壓低于標(biāo)稱值的70%時(shí)，PWM被鎖存關(guān)閉。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 設(shè)計(jì)流程

• 確定輸入電壓范圍和最大負(fù)載電流，選擇合適的開關(guān)頻率和電感工作點(diǎn)。
• 考慮輸入電壓范圍、最大負(fù)載電流、開關(guān)頻率和電感工作點(diǎn)等因素，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。

4.2 元件選擇

• 電感選擇：根據(jù)開關(guān)頻率和工作點(diǎn)計(jì)算電感值，選擇低損耗、直流電阻小且不飽和的電感。計(jì)算公式為[L=frac{V{OUT }left(V{N}-V{OUT }right)}{V{IN } × f{SW} × LIR × I{LOAD(MAX)}}]。
• 設(shè)置電流限制：確保最小電流限制閾值能支持最大負(fù)載電流，可通過連接ILIM到VCC設(shè)置默認(rèn)100mV閾值，或使用外部電阻分壓器進(jìn)行調(diào)整。
• 輸出電容選擇：輸出濾波電容需滿足低ESR和高ESR要求，以滿足輸出紋波、負(fù)載瞬態(tài)和穩(wěn)定性要求。電容選擇通?；贓SR和電壓額定值。
• 輸入電容選擇：輸入電容需滿足紋波電流要求，優(yōu)先選擇非鉭電容，確保在RMS輸入電流下溫度上升小于 + 10°C。
• 功率MOSFET選擇：高側(cè)MOSFET應(yīng)在最佳電池電壓下使傳導(dǎo)損耗等于開關(guān)損耗，低側(cè)MOSFET應(yīng)具有低RDS(ON)，合理封裝和價(jià)格。

4.3 電壓定位和有效效率

電壓定位可減少輸出電容數(shù)量，通過在GNDS上添加固定偏移和串聯(lián)輸出電阻實(shí)現(xiàn)。有效效率定義為非電壓定位電路達(dá)到與電壓定位電路相同總功耗所需的效率。

4.4 降壓性能

輸出電壓調(diào)節(jié)范圍受最小關(guān)斷時(shí)間限制，為獲得最佳降壓性能，可使用較慢的導(dǎo)通時(shí)間設(shè)置。絕對降壓點(diǎn)為電感電流在最小關(guān)斷時(shí)間內(nèi)下降量等于導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)上升量時(shí)。

4.5 調(diào)整VOUT

可使用電阻分壓器調(diào)整輸出電壓，但可能導(dǎo)致開關(guān)頻率變化。若輸出電壓高于2V，可在電池感應(yīng)輸入（V +）上添加電阻分壓器進(jìn)行補(bǔ)償。

4.6 單級與兩級應(yīng)用

單級應(yīng)用可提供更小的總電感尺寸和更好的瞬態(tài)響應(yīng)，效率更高；兩級應(yīng)用可靈活放置，降低局部功耗。

4.7 陶瓷輸出電容應(yīng)用

陶瓷電容具有超低ESR和小尺寸等優(yōu)點(diǎn)，但也存在穩(wěn)定性和輸出過沖問題。MAX1717可在電壓定位電路中充分利用陶瓷電容的優(yōu)勢。

4.8 PCB布局指南

PCB布局對實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。應(yīng)保持高電流路徑短，模擬接地采用單獨(dú)的實(shí)心銅平面，縮短功率走線和負(fù)載連接，使用Kelvin檢測連接確保電流限制精度，合理布置FB連接，避免高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)靠近敏感模擬區(qū)域。

五、總結(jié)

MAX1717作為一款高性能的筆記本CPU動(dòng)態(tài)可調(diào)同步降壓控制器，具有豐富的特性和靈活的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。工程師在使用時(shí)需充分了解其工作原理和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，根據(jù)具體應(yīng)用場景進(jìn)行合理的電路設(shè)計(jì)和元件選擇，同時(shí)注重PCB布局，以確保電路的性能和穩(wěn)定性。希望本文能為工程師們在MAX1717的設(shè)計(jì)應(yīng)用中提供有價(jià)值的參考。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否遇到過類似控制器的應(yīng)用挑戰(zhàn)呢？歡迎分享交流。