MAX8720：動態可調6位VID降壓控制器的深度解析

在電子設備的電源管理領域，降壓控制器是不可或缺的關鍵組件，它直接影響著設備的性能、效率和穩定性。今天我們就來深入探討一款功能強大的降壓控制器——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轉換器設計的降壓控制器。它具備動態可調輸出、超快速瞬態響應、高DC精度以及領先的CPU核心電源所需的高效率等特性。其采用的Quick - PWM?快速響應、恒定導通時間PWM控制方案，能輕松應對寬輸入/輸出電壓比，在保持相對恒定開關頻率的同時，為負載瞬變提供100ns的“即時開啟”響應。

輸出電壓動態調整

通過6位數模轉換器（DAC），輸出電壓可在0.275V至1.850V范圍內以25mV的步長進行動態調整。同時，它擁有獨立的四級邏輯輸入，用于設置暫停電壓（S0 - S1）。精確的壓擺率控制能確保“及時”到達新的DAC設置，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，以滿足不同的應用需求。

二、關鍵特性剖析

1. Quick - PWM架構

• 高精度輸出：在不同的線路和負載條件下，輸出電壓精度可達±1%。
• 6位板載DAC：配備輸入多路復用器，能實現精確的輸出電壓控制。
• 精確可調的輸出壓擺控制：輸出調整范圍為0.275V至1.850V，能適應多種不同的應用場景。
• 遠程反饋和地檢測：支持電壓定位應用，可輕松補償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，能適應多種電池類型和電壓范圍。
• 開關頻率：提供200kHz/300kHz/550kHz/1000kHz多種選擇，可根據具體應用需求進行靈活配置。

3. 保護功能

• 過/欠壓保護：能有效保護電路免受異常電壓的影響，提高系統的穩定性和可靠性。
• 驅動能力：可驅動大型同步整流FET，滿足高功率應用的需求。

4. 低功耗設計

• 靜態電流：ICC電源電流典型值為800μA，關機電源電流典型值為10μA，有助于降低系統功耗。
• 參考輸出：提供2V ±0.75%的參考輸出，可作為精確的系統參考。

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，能適應不同的電源環境。
• DC輸出電壓精度：在不同的DAC代碼范圍內，輸出電壓精度有所不同，如0.9V至1.85V范圍內為±1%，0.45V至0.875V范圍內為±10%等。
• 線路調節誤差：在VCC為4.5V至5.5V、V +為4.5V至28V的條件下，線路調節誤差為5mV。

2. 偏置與參考

• 靜態電源電流：VCC和VDD的靜態電源電流在不同條件下有不同的值，如FB強制高于調節點時，VCC的靜態電源電流為700 - 1200μA，VDD的靜態電源電流小于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的溫度范圍內為1.98 - 2.02V。

3. 故障檢測

• 過/欠壓保護：輸出過壓跳閘閾值為2.20 - 2.30V，輸出欠壓保護跳閘閾值相對于空載輸出電壓為65 - 75%。
• PGOOD信號：PGOOD信號在輸出調節正常時為高電平，當VFB不在DAC設置的±15%窗口內時，PGOOD信號被拉低。在DAC代碼轉換期間，PGOOD信號會被強制拉高8個時鐘周期。

4. 電流限制

• 電流限制閾值：電流限制閾值分為固定和可調兩種模式，固定模式下為85 - 115mV，可調模式下根據ILIM引腳的電壓不同而不同，范圍為35 - 230mV。
• 負電流限制：負電流限制閾值設置為正電流限制的約120%，可防止反向電感電流過大。

5. 柵極驅動器

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

四、典型工作特性

1. 效率與負載電流

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

2. 輸出電壓與負載電流

輸出電壓在負載電流變化時能保持相對穩定，其波動范圍在規定的精度范圍內。

3. 開關頻率與負載電流

開關頻率在負載電流變化時也能保持相對穩定，不同的TON設置會影響開關頻率，如TON連接到GND時開關頻率為1000kHz，連接到REF時為550kHz等。

五、引腳功能介紹

1. 電源相關引腳

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

2. 控制引腳

• SHDN：關機控制輸入引腳，連接到VCC時為正常工作狀態，連接到GND時進入關機狀態。
• TIME：壓擺率調整引腳，通過連接電阻到GND來設置內部壓擺率時鐘。
• TON：導通時間選擇控制輸入引腳，通過連接到不同的引腳可設置不同的開關頻率。

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點的 junction。
• FBS：反饋遠程感測輸入引腳，用于非電壓定位電路時直接連接到負載的VOUT，用于電壓定位電路時直接連接到FB附近以禁用FBS遠程感測積分放大器。
• GNDS：地遠程感測輸入引腳，用于非電壓定位電路時直接連接到負載的地，用于電壓定位電路時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節狀態。
• 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、詳細工作原理

1. 5V偏置電源

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

2. 參考電壓（REF）

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

3. 自由運行、恒定導通時間PWM控制器

Quick - PWM控制架構是一種偽固定頻率、恒定導通時間、電流模式類型，并帶有電壓前饋。該架構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。導通時間由一個單觸發電路決定，其周期與輸入電壓成反比，與輸出電壓成正比。

4. 導通時間單觸發（TON）

PWM核心的關鍵是設置高端開關導通時間的單觸發電路。該電路能根據電池和輸出電壓調整導通時間，使開關頻率接近恒定。導通時間的計算公式為：On - Time = K(V VOUT + 0.075 V) / VIN，其中K由TON引腳的連接方式決定。

5. 積分放大器和輸出電壓偏移

三個積分放大器用于對輸出調節點進行精細調整，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部直接相加，可通過一個電容輕松設置積分時間常數。

6. 強制PWM模式和自動脈沖跳過切換

• 強制PWM模式：在低噪聲強制PWM模式下，零交叉比較器被禁用，允許電感電流在輕載時反向。該模式可保持開關頻率相對恒定，但會增加空載電池電流。
• 自動脈沖跳過切換：在脈沖跳過模式下，當輕載時會自動切換到PFM模式。切換點由一個比較器決定，該比較器在電感電流過零時截斷低端開關的導通時間。

7. 電流限制電路

電流限制電路采用獨特的“谷值”電流感測算法，利用低端MOSFET的導通電阻作為電流感測元件。當電流感測信號高于電流限制閾值時，PWM不允許啟動新的周期。

8. MOSFET柵極驅動器

DH和DL驅動器經過優化，可驅動中等大小的高端和較大的低端功率MOSFET。自適應死區時間電路可防止高端FET在DL完全關斷之前導通。

9. VCC POR和UVLO

上電復位（POR）在VCC上升到約2V時發生，復位故障鎖存器并準備PWM進行操作。VCC欠壓鎖定（UVLO）電路會抑制開關，強制PGOOD為低電平，并強制DL柵極驅動器為低電平。

10. 軟啟動和軟關機

• 軟關機：當SHDN引腳為低電平時，MAX8720進入低功耗關機模式，輸出電壓以25mV的步長逐步下降到0V。
• 軟啟動：當SHDN引腳為高電平時，參考電源上電，經過參考UVLO后，DAC目標被評估并開始切換，輸出電壓以25mV的步長逐步上升到當前選擇的代碼值。

11. 標稱輸出電壓設置

MAX8720使用一個多路復用器從兩個不同的輸入（VID DAC輸入或暫停模式S0、S1輸入）中選擇。啟動時，MAX8720將目標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）

數字 - 模擬轉換器（DAC）用于編程輸出電壓，通常從CPU引腳接收預設的數字代碼。在SMPS激活時，可更改D0 - D5以啟動到新輸出電壓水平的轉換。

13. 暫停模式（S0、S1、SUS）

當CPU進入低功耗暫停模式時，處理器將調節器設置為較低的輸出電壓以降低功耗。MAX8720的暫停模式輸入（S0、S1）和數字SUS控制輸入可用于設置暫停電壓。

14. 輸出電壓過渡定時

MAX8720設計用于以受控方式執行輸出電壓過渡，自動最小化輸入浪涌電流。過渡時間取決于RTIME、電壓差和MAX8720的壓擺率時鐘精度，與總輸出電容無關。

15. 輸出過壓保護

過壓保護（OVP）電路用于保護CPU免受高端MOSFET短路的影響。當輸出電壓超過2.25V時，OVP被觸發，電路關閉，DL低端柵極驅動器輸出被鎖存為高電平。

16. 輸出欠壓關機

輸出欠壓保護（UVP）功能類似于折返電流限制，但使用定時器而不是可變電流限制。當輸出電壓低于標稱值的70%時，PWM被鎖存關閉，直到VCC電源循環或SHDN引腳被切換。

七、設計流程

1. 確定參數

在選擇開關頻率和電感工作點（紋波電流比）之前，需確定輸入電壓范圍和最大負載電流。主要的設計權衡在于選擇合適的開關頻率和電感工作點，以下四個因素決定了其余設計：

• 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、保險絲和電池選擇開關后的最低電池電壓。
• 最大負載電流：需要考慮峰值負載電流（ILOAD(MAX)）和連續負載電流（ILOAD），分別影響瞬時組件應力和濾波要求以及熱應力。
• 開關頻率：開關頻率的選擇決定了尺寸和效率之間的基本權衡，最佳頻率主要取決于最大輸入電壓和MOSFET技術的發展。
• 電感工作點：電感工作點的選擇提供了尺寸與效率、瞬態響應與輸出紋波之間的權衡。低電感值可提供更好的瞬態響應和更小的物理尺寸，但會導致效率降低和輸出紋波增加。

2. 電感選擇

根據開關頻率和電感工作點，可通過公式(L=frac{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}{V{IN } f{SW } I{LOAD(MAX)} LIR })計算電感值。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. 瞬態響應計算

電感紋波電流會影響瞬態響應性能，尤其是在低VIN - VOUT差的情況下。可通過公式計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. 設置電流限制

最小電流限制閾值必須足夠大，以支持最大負載電流。可通過連接ILIM引腳到VCC設置默認的100mV電流限制閾值，或通過連接電阻分壓器從REF到GND來調整電流限制閾值。

5. 輸出電容選擇

輸出濾波電容的選擇需考慮等效串聯電阻（ESR）和電容值，以滿足輸出紋波和負載瞬態要求。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. 輸出電容穩定性考慮

穩定性取決于ESR零點相對于開關頻率的值，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。檢查穩定性的方法是施加快速的零到最大負載瞬變，并觀察輸出電壓紋波包絡的過沖和振鈴。

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損耗。選擇傳導損耗等于開關損耗的高端MOSFET可實現最大效率。
• 低端MOSFET：選擇導通電阻盡可能低、封裝適中且價格合理的低端MOSFET（NL），確保MAX8720 DL柵極驅動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耗散計算

• 高端MOSFET：高端MOSFET的最壞情況傳導損耗發生在最小輸入電壓下，開關損耗的計算較為復雜，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的體二極管在死區時間內導通。一般選擇直流電流額定值為負載電流1/3的二極管。

11. 升壓電容選擇