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

在當今的電子設備中，尤其是筆記本電腦等對電源管理要求極高的設備，高效穩定的 CPU 核心電源供應至關重要。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 核心電源轉換器的理想選擇。

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產品概述

MAX1716/MAX1854/MAX1855 專為筆記本電腦的 CPU 核心 DC - DC 轉換器設計，具有動態可調輸出（5 位 DAC）、超快速瞬態響應、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頻率的同時，提供 100ns 的“即時導通”負載瞬態響應。

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路，可根據負載電流調整輸出設定點，降低滿載功耗，減少輸出電容數量。
2. Quick - PWM 架構：獨特的控制架構，能有效處理快速負載變化，保持相對穩定的工作頻率和電感工作點。
3. 高精度輸出：±1% 的 VOUT 線路調節精度，確保輸出電壓的穩定性。
4. 可調輸出范圍：不同型號具有不同的可調輸出范圍，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，保障系統的安全穩定運行。
7. 低功耗設計：1μA 的關斷電源電流，降低系統功耗。

工作原理

恒導通時間 PWM 控制器

Quick - PWM 控制架構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。控制算法簡單，高端開關導通時間由一個單穩態觸發器決定，其周期與輸入電壓成反比，與輸出電壓成正比。另一個單穩態觸發器設置最小關斷時間（典型值 400ns）。當誤差比較器為低電平、低端開關電流低于電流限制閾值且最小關斷時間單穩態觸發器超時，導通時間單穩態觸發器被觸發。

導通時間單穩態觸發器（TON）

PWM 核心的關鍵是設置高端開關導通時間的單穩態觸發器。它能根據輸入和輸出電壓調整導通時間，使高端開關導通時間與 V + 成反比，與 DAC 代碼設置的輸出電壓成正比。這種算法在沒有固定頻率時鐘發生器的情況下，實現了近乎恒定的開關頻率，帶來避免噪聲敏感區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導通時間，使脈沖跳過 PFM 和非跳過 PWM 操作的閾值與連續和不連續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導通時間的過零比較器，使低端柵極驅動波形成為高端柵極驅動波形的互補。這導致輕載時電感電流反向，保持開關頻率近乎恒定，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 柵極驅動器（DH 和 DL）

DH 和 DL 驅動器針對驅動中等大小的高端和較大的低端功率 MOSFET 進行了優化。自適應死區時間電路監控 DL 輸出，防止高端 FET 在 DL 完全關斷之前導通。

DAC 轉換器（D0–D4）

數字 - 模擬轉換器（DAC）用于編程輸出電壓，接收來自 VID 輸入（D0–D4）的預設數字代碼。D0 - D4 可在調節器工作時更改，同步更改可避免輸出電壓過渡時的錯誤。

關斷（SHDN）

將 SHDN 驅動為低電平可使控制器進入低電流關斷狀態，關斷時開啟低端 MOSFET，將輸出電容放電并使輸出接地。將 SHDN 驅動或連接到 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，發生上電復位，復位故障鎖存器和軟啟動計數器，為調節器的運行做好準備。

欠壓鎖定和軟啟動

VCC 欠壓鎖定（UVLO）電路抑制開關操作，強制 VGATE 為低電平，并驅動 DL 輸出為高電平。VCC 電壓低于 4.2V 時，假設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，內部數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，只要輸出電壓在調節電壓的 ±10% 范圍內，就保持高阻抗。輸出電壓超出該范圍或出現故障時，內部 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，持續監控輸出電壓，超過 OVP 閾值時觸發并關閉電路，DL 低端柵極驅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。調節器輸出電壓低于標稱值的 40% 且經過 20ms 欠壓故障消隱時間后，PWM 鎖定關閉，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，防止調節器在芯片冷卻前重啟。

無故障測試模式

為方便調試原型面包板，提供無故障測試模式，禁用 OVP、UVP 和熱關斷功能，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。

設計要點

輸入電壓范圍和最大負載電流

在選擇開關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負載電流，分別影響瞬時組件應力、濾波要求和熱應力。

開關頻率

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

電感工作點

電感工作點影響尺寸和效率的權衡。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

根據開關頻率和工作點（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定尺寸的電感。

電流限制設置

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 設置默認 120mV 電流限制閾值，或使用可調模式。

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要求，同時要足夠高以滿足穩定性要求。電容值要足夠大以吸收電感能量，防止過壓保護電路觸發。

輸入電容選擇

輸入電容要滿足紋波電流要求，對于大多數應用，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。

電壓定位設置（VPS）

電壓定位可根據負載電流動態改變輸出電壓設定點，減少功耗。通過小值感測電阻（RSENSE）設置電壓變化量，可通過多種方式設置 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 調整電壓定位環路的動態特性。

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量，降低高負載電流時的功耗。通過比較傳統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

連續導通操作的輸出電壓可調范圍受不可調的 500ns（最大）最小關斷時間單穩態觸發器限制。為獲得最佳降壓性能，可使用較慢的（200kHz）導通時間設置。接近降壓點時，降壓調節器的瞬態響應性能較差，可能需要增加大容量輸出電容。

調整 VOUT

可使用電阻分壓器調整輸出電壓，但會導致開關頻率變化。調整輸出電壓高于 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，可通過電壓定位轉換器彌補瞬態響應慢的問題。

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 布局對于實現低開關損耗和穩定運行至關重要。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，合理權衡走線長度，確保 FB 連接短而直接，將高速開關節點遠離敏感模擬區域。

總結

MAX1716/MAX1854/MAX1855 同步降壓控制器以其先進的技術和豐富的功能，為筆記本電腦 CPU 核心電源供應提供了高效、穩定的解決方案。在設計過程中，工程師需要綜合考慮輸入電壓范圍、負載電流、開關頻率、電感和電容選擇等多個因素，同時注意 PCB 布局的細節，以充分發揮這些控制器的性能優勢，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？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。