MAX77874：16A高性能四相降壓調節器，引領多核心處理器電源解決方案

在電子設備飛速發展的今天，多核心CPU和GPU處理器對電源的要求越來越高。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。Analog Devices的MAX77874四相降壓調節器，正是這樣一款滿足多核心處理器電源需求的優秀產品。

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一、產品概述

MAX77874是一款專為CPU和GPU多核心處理器設計的四相、大電流降壓調節器。它采用了專有的IP技術，在瞬態響應、輸出電壓精度、效率和PCB占用面積等方面都表現出色。其輸出電壓可通過I2C接口在0.25V至1.30V之間以5mV的步長進行編程，輸出電流能力高達16A。該產品采用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、平板電腦、超極本、相機、游戲設備、無人機、機器人、虛擬現實以及AI和嵌入式微處理器等多種應用場景。

二、產品特性

（一）寬工作范圍

• 輸入電壓（VIN）：2.7V至4.8V，能夠適應多種電源輸入環境。
• 輸出電壓（VOUT）：0.25V至1.30V，以5mV的步長進行編程，可靈活滿足不同處理器的電壓需求。
• 輸出電流（IOUT）：最大可達16A，能夠為多核心處理器提供充足的電流支持。

（二）快速負載瞬態響應

在不同的工作模式下，MAX77874都能實現快速的負載瞬態響應。例如，在FPWM和Turbo - Skip模式下，負載從200mA躍升至9.2A時，電壓降僅為25mV；在Skip模式下，電壓降為40mV。這種快速響應能力能夠確保處理器在負載變化時穩定工作。

（三）高精度輸出電壓

• 初始精度：在0.9VOUT時，初始精度最大為0.28%。
• 全范圍精度：在不同的線路和溫度條件下，最大精度為1.5%。
• 輸出紋波：在所有負載下，典型紋波僅為3mVP - P，能夠為處理器提供穩定的電源。

（四）高效節能

• 峰值效率：在3.7VIN、0.9VOUT、3.5AOUT的條件下，峰值效率可達89%。
• 輕載自動旋轉相位擴展：在輕載時，采用自動旋轉相位擴展技術，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I2C接口可以對輸出電壓、動態電壓縮放（DVS）、中斷和控制模式等進行配置，同時還提供了EN、DVS、IRQ等邏輯引腳，方便進行外部控制。
• 可編程軟啟動和DVS斜坡速率：軟啟動和DVS斜坡速率可通過I2C進行編程，能夠根據不同的應用需求進行調整。
• 雙熱警報和POK中斷：具備兩個熱警報和POK中斷功能，能夠實時監測設備的溫度和輸出電壓狀態，確保設備的安全穩定運行。

（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，總面積僅為37mm2；搭配2016尺寸的電感時，總面積為41mm2。

三、工作模式

（一）Skip模式

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

（二）Turbo Skip模式

Turbo Skip模式結合了出色的瞬態響應（與FPWM模式相同）和接近Skip模式的輕載效率和電源電流，因此是默認設置。

（三）Forced PWM（FPWM）模式

FPWM模式為對噪聲敏感的應用提供了近乎恒定的開關頻率，但在輕載時電源電流較高，效率較低。其瞬態響應與Turbo Skip模式相似。

四、關鍵技術

（一）Quick - PWM?控制方案

MAX77874采用了Maxim的專有Quick - PWM?快速響應、恒定導通時間PWM控制方案。該方案能夠輕松處理寬輸入/輸出電壓比（低占空比應用），對負載瞬態提供即時響應，同時保持近乎恒定的開關頻率。此外，它還具有很高的環路帶寬，能夠在負載瞬態期間實現最小的電壓降/飆升和快速恢復。

（二）旋轉相位擴展技術

在輕載時，專有旋轉相位擴展技術會按旋轉順序切換所有四個相位，并在開關脈沖之間的零電流狀態下延長時間。與完全禁用某些相位的相位削減技術相比，旋轉相位擴展技術在不同負載之間的過渡更加平滑，輸出紋波更小，干擾更少。

（三）增強型瞬態響應（ETR）

在Skip和Turbo Skip模式下，轉換器能夠同時激活所有四個相位以響應負載瞬態。不過，在Skip模式下，為了實現更低的靜態電流，響應速度不如Turbo Skip模式快。在FPWM模式下，由于控制器具有高環路帶寬，不需要ETR電路。

五、設計要點

（一）外部組件選擇

• 輸入電容：每個IN_到GND之間應使用10μF（總共40μF）的電容進行旁路，推薦使用0402尺寸、X5R電介質、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、4V額定電壓的陶瓷電容。
• 遠程輸出電容：遠程感測線應使用至少3x 22μF（總共66μF）的電容進行去耦，電容規格與本地輸出電容相同。
• 偏置電容：每個偏置電源（VCC、VIO、VDD_DIG、VDD_ANA）到地之間應使用1μF、0201尺寸的陶瓷電容進行旁路。
• 電感：MAX77874B針對標稱電感為220nH或240nH的電感進行了微調。電感的飽和電流額定值應至少為調節器的峰值電流限制，RMS電流額定值應根據系統的預期負載電流進行選擇。同時，還應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的開關速度快、電流大，因此在PCB布局時需要仔細規劃走線。應盡量減小IC與電感、輸入電容和輸出電容之間的走線長度，保持這些關鍵走線短而寬。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_走線直接連接到接地平面。在布線SNS+和SNS - 走線時，應保持走線足夠短，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。可以使用中間接地平面來屏蔽SNS+和SNS - 走線，避免受到嘈雜的開關路徑的干擾。

六、I2C通信

MAX77874具有一個兼容I2C 3.0的2線串行接口，包括雙向串行數據線（SDA）和串行時鐘線（SCL）。它作為一個僅從設備，依賴主設備生成時鐘信號，支持0Hz至3.4MHz的SCL時鐘速率。I2C是一個開漏總線，因此SDA和SCL需要上拉電阻。

（一）數據傳輸

在每個SCL時鐘周期內傳輸一位數據。SDA上的數據在SCL時鐘脈沖的高電平期間必須保持穩定，SCL為高電平時SDA的變化為控制信號。每個傳輸序列由一個START（S）條件和一個STOP（P）條件框定，每個數據包為9位長，包括8位數據和1位確認位，數據以MSB優先的方式傳輸。

（二）通信協議

• 寫入單個寄存器：主設備發送START命令，然后發送7位從設備地址和寫位，從設備確認后，主設備發送8位寄存器指針，再次確認后發送數據字節，從設備更新數據并確認，最后主設備發送STOP或REPEATED START命令。
• 寫入多個連續寄存器：與寫入單個寄存器的協議類似，主設備在收到第一個數據字節后繼續寫入，完成后發送STOP或REPEATED START命令。
• 讀取單個寄存器：主設備發送START命令，發送7位從設備地址和寫位，從設備確認后，主設備發送8位寄存器指針，再次確認后發送REPEATED START命令，然后發送7位從設備地址和讀位，從設備確認后將8位數據放在總線上，主設備發送非確認位，最后發送STOP或REPEATED START命令。
• 讀取連續寄存器：與讀取單個寄存器的協議類似，主設備在收到數據后發送確認位，需要更多數據時繼續發送確認位，不需要時發送非確認位和STOP命令。

（三）高速模式

要進入高達3.4MHz的高速模式，主設備需要在總線速度為1MHz或更低時開始協議，發送START命令和8位主代碼（0b0000 1XXX），從設備發送非確認位，主設備可以將總線速度提高到3.4MHz并進行讀寫操作，直到發送STOP命令。

七、總結

MAX77874四相降壓調節器以其高性能、高效率、小尺寸和靈活的功能特性，為多核心CPU和GPU處理器提供了優秀的電源解決方案。在設計過程中，合理選擇外部組件和優化PCB布局，能夠充分發揮其性能優勢。同時，通過I2C接口進行靈活配置和通信，能夠滿足不同應用場景的需求。對于電子工程師來說，MAX77874是一款值得信賴的電源管理芯片。

在實際應用中，你是否遇到過類似電源管理芯片的設計挑戰？你又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。