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

一、引言

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

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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)換器設計，具有動態(tài)可調(diào)輸出、超快瞬態(tài)響應、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、恒定導通時間PWM控制方案，可輕松處理寬輸入/輸出電壓比，并在負載瞬變時提供100ns的“即時導通”響應，同時保持相對恒定的開關頻率。

2.1 產(chǎn)品特性

• Quick - PWM架構：在整個線路和負載范圍內(nèi)具有±1%的VOUT精度。
• 5位板載DAC與輸入多路復用器：可實現(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。
• 支持電壓定位應用：電池輸入范圍為2V至28V，需要單獨的 + 5V偏置電源。
• 靈活的開關頻率：支持200/300/550/1000kHz開關頻率。
• 保護功能齊全：具備過/欠壓保護，可驅(qū)動大型同步整流FET。
• 低功耗：典型ICC電源電流為700μA，關機電源電流僅2μA。
• 小封裝：采用24引腳QSOP封裝。

2.2 應用場景

• 配備SpeedStep?或其他動態(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外部 + 5V偏置電源，通常為筆記本電腦效率達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 自由運行、恒定導通時間PWM控制器與輸入前饋

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，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)開關導通時間由一個單穩(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 導通時間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器（TON）

PWM核心的關鍵是設置高側(cè)開關導通時間的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。它能根據(jù)電池和輸出電壓調(diào)整導通時間，使開關頻率接近恒定。導通時間計算公式為[On - Time =K(V VOUT +0.075 V) / V_{IN }]，K值由TON引腳連接設置。

3.4 積分放大器

三個積分放大器可對輸出調(diào)節(jié)點進行微調(diào)。一個放大器積分GNDS和GND之間的差值，第二個積分FBS和FB之間的差值，第三個積分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 自動脈沖跳頻切換

在跳頻模式（SKP/SDN高）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側(cè)開關導通時間實現(xiàn)切換，切換閾值與電感電流的連續(xù)和不連續(xù)運行邊界一致。

3.6 強制PWM模式（SKP/SDN開路）

低噪聲強制PWM模式可禁用控制低側(cè)開關導通時間的過零比較器，使電感電流在輕載時反向，保持開關頻率相對恒定，但無載電池電流會增加。

3.7 電流限制電路

采用獨特的“谷值”電流傳感算法，使用低側(cè)MOSFET的導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，默認值為100mV。

3.8 MOSFET柵極驅(qū)動器（DH，DL）

DH和DL驅(qū)動器針對驅(qū)動中等大小的高側(cè)和較大的低側(cè)功率MOSFET進行了優(yōu)化。自適應死區(qū)時間電路可防止高側(cè)FET在DL完全關斷前導通，DH關斷時的死區(qū)時間由固定35ns（典型值）的內(nèi)部延遲決定。

3.9 POR、關機和UVLO

上電復位（POR）在VCC升至約2V以上時發(fā)生，復位故障鎖存器并準備PWM運行。VCC欠壓鎖定（UVLO）電路會抑制開關操作。關機時，SKP/SDN變低，MAX1717進入低功耗關機模式。當VCC電壓下降觸發(fā)UVLO比較器時，DL會被強制拉高。

3.10 DAC輸入D0–D4和A/B內(nèi)部多路復用器

DAC用于編程輸出電壓，通常接收來自CPU引腳的預設數(shù)字代碼。A/B內(nèi)部多路復用器可選擇兩個編程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 輸出電壓過渡時序

MAX1717可控制輸出電壓過渡，自動最小化輸入浪涌電流。過渡在25mV步長下進行，總時間取決于RTIME、電壓差和壓擺率時鐘精度。過渡時間計算公式為[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

過壓保護（OVP）電路可防止高側(cè)MOSFET短路，當輸出電壓超過2.25V時觸發(fā)，DL低側(cè)柵極驅(qū)動器輸出被鎖存為高。輸出欠壓關機（UVP）功能類似于折返電流限制，當輸出電壓低于標稱值的70%時，PWM被鎖存關閉。

四、設計要點

4.1 設計流程

• 確定輸入電壓范圍和最大負載電流，選擇合適的開關頻率和電感工作點。
• 考慮輸入電壓范圍、最大負載電流、開關頻率和電感工作點等因素，進行電路設計。

4.2 元件選擇

• 電感選擇：根據(jù)開關頻率和工作點計算電感值，選擇低損耗、直流電阻小且不飽和的電感。計算公式為[L=frac{V{OUT }left(V{N}-V{OUT }right)}{V{IN } × f{SW} × LIR × I{LOAD(MAX)}}]。
• 設置電流限制：確保最小電流限制閾值能支持最大負載電流，可通過連接ILIM到VCC設置默認100mV閾值，或使用外部電阻分壓器進行調(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、負載瞬態(tài)和穩(wěn)定性要求。電容選擇通常基于ESR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應在最佳電池電壓下使傳導損耗等于開關損耗，低側(cè)MOSFET應具有低RDS(ON)，合理封裝和價格。

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)輸出電阻實現(xiàn)。有效效率定義為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。

4.4 降壓性能

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

4.5 調(diào)整VOUT

可使用電阻分壓器調(diào)整輸出電壓，但可能導致開關頻率變化。若輸出電壓高于2V，可在電池感應輸入（V +）上添加電阻分壓器進行補償。

4.6 單級與兩級應用

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

4.7 陶瓷輸出電容應用

陶瓷電容具有超低ESR和小尺寸等優(yōu)點，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布局對實現(xiàn)低開關損耗和穩(wěn)定運行至關重要。應保持高電流路徑短，模擬接地采用單獨的實心銅平面，縮短功率走線和負載連接，使用Kelvin檢測連接確保電流限制精度，合理布置FB連接，避免高速開關節(jié)點靠近敏感模擬區(qū)域。

五、總結(jié)

MAX1717作為一款高性能的筆記本CPU動態(tài)可調(diào)同步降壓控制器，具有豐富的特性和靈活的設計選項。工程師在使用時需充分了解其工作原理和設計要點，根據(jù)具體應用場景進行合理的電路設計和元件選擇，同時注重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的設計應用中提供有價值的參考。你在實際設計中是否遇到過類似控制器的應用挑戰(zhàn)呢？歡迎分享交流。