MAX17021評(píng)估套件：高性能筆記本CPU電源解決方案

在當(dāng)今的電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，筆記本電腦的CPU電源管理至關(guān)重要。MAX17021評(píng)估套件為我們提供了一個(gè)強(qiáng)大的解決方案，用于演示高功率、動(dòng)態(tài)可調(diào)的多相IMVP - 6.5 +筆記本CPU應(yīng)用電路。下面將深入介紹這個(gè)評(píng)估套件的特點(diǎn)、組件、操作步驟以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

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一、概述

MAX17021評(píng)估套件（EV套件）能夠?qū)?a href="http://www.3532n.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓電池和/或交流適配器的電壓降壓，為筆記本CPU核心VCC軌提供精確的低電壓。它滿足英特爾移動(dòng)IMVP - 6 + CPU的瞬態(tài)電壓規(guī)范、電源良好信號(hào)、電壓調(diào)節(jié)器熱監(jiān)測（VRHOT）和電源良好輸出（PWRGD）等要求。

二、套件特點(diǎn)

1. 電氣性能

• 雙相、快速響應(yīng)交錯(cuò)式Quick - PWM：這種設(shè)計(jì)使得電路響應(yīng)速度快，能有效提高電源效率。
• 符合英特爾IMVP - 6 +代碼集：確保與英特爾移動(dòng)CPU的兼容性，適用于Montevina插槽配置。
• 動(dòng)態(tài)相位選擇：可優(yōu)化CPU在活動(dòng)和睡眠狀態(tài)下的整體效率。
• 瞬態(tài)相位重疊：減少輸出電容需求，降低成本和電路板空間。
• 有源電壓定位：具有可調(diào)增益，能降低功耗和對(duì)大容量輸出電容的要求。
• 高速、高精度和高效率：在300kHz開關(guān)頻率（每相）下工作，具備出色的線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

2. 電壓與電流范圍

• 寬輸入電壓范圍：支持7V至24V的電池輸入。
• 可調(diào)輸出電壓范圍：通過7位DAC可實(shí)現(xiàn)0至1.5000V的數(shù)字可調(diào)輸出電壓。
• 高負(fù)載電流能力：每相設(shè)計(jì)的熱設(shè)計(jì)電流為20A，峰值輸出電流可達(dá)30A，總峰值電流為60A。

3. 保護(hù)與指示功能

• 多種保護(hù)功能：包括鎖存輸出欠壓故障保護(hù)、過壓故障保護(hù)和熱過載保護(hù)。
• 輸出指示：具備電源良好（PWRGD）、相位良好（PHASEGD）、時(shí)鐘使能（CLKEN）和熱故障（VRHOT）輸出及指示燈，方便用戶監(jiān)測電路狀態(tài)。

4. 封裝與合規(guī)性

• 40引腳薄型QFN封裝：帶有外露焊盤，有助于散熱。
• 環(huán)保合規(guī)：無鉛且符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

三、組件列表

評(píng)估套件包含了多種電容、電感、MOSFET、電阻、二極管、開關(guān)和集成電路等組件。以下是部分關(guān)鍵組件的介紹：

1. 電容

• C1 - C4：10μF ±20%，25V X5R陶瓷電容，用于電源濾波。
• C5 - C8：330μF，2V，4.5mΩ低ESR聚合物電容，提供穩(wěn)定的電源輸出。

  2. 電感

• L1, L2：0.36μH，36A，0.82mΩ功率電感，用于能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換。

  3. MOSFET

• N1, N2：n溝道MOSFET（PowerPAK 8 SO），負(fù)責(zé)開關(guān)操作。

  4. 集成電路

• U1：雙相Quick - PWM VID控制器（40 TQFN - EP），即MAX17021GTL +，是整個(gè)電路的核心控制芯片。

四、快速啟動(dòng)

1. 推薦設(shè)備

• MAX17021 EV套件
• 7V至24V，功率大于100W的電源、電池或筆記本交流適配器
• 5V，1A的直流偏置電源
• 能夠吸收60A電流的假負(fù)載
• 數(shù)字萬用表（DMMs）
• 100MHz雙蹤示波器

2. 操作步驟

1. 在通電前，確保電路正確連接到電源和假負(fù)載。
2. 確認(rèn)開關(guān)SW2的所有位置都處于關(guān)閉狀態(tài)。通過開關(guān)SW1設(shè)置DAC代碼（D6 - D0），將SW1（1, 14）、SW1（2, 13）、SW1（4, 11）、SW1（5, 10）和SW1（7, 8）設(shè)置為開啟位置，此時(shí)輸出電壓設(shè)置為1.050V。
3. 先開啟電池電源，再開啟5V偏置電源。
4. 使用DMM和/或示波器觀察1.050V的輸出電壓，并在改變負(fù)載電流時(shí)觀察LX開關(guān)節(jié)點(diǎn)和MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

五、硬件詳細(xì)描述

1. 多相降壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

該60A峰值多相降壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)針對(duì)300kHz開關(guān)頻率（每相）和1V左右的輸出電壓設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化。在VOUT = 1V和VIN = 12V時(shí)，電感紋波約為35%（LIR = 0.35）。MAX17021控制器使所有有效相位交錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)異相操作，從而最小化輸入和輸出濾波要求。多相控制器在兩個(gè)相位之間共享電流，每個(gè)相位可提供高達(dá)30A的電流。

2. 輸出電壓設(shè)置

MAX17021具有內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），可通過D0 - D6引腳將輸出電壓從0至1.5000V進(jìn)行數(shù)字設(shè)置。有兩種設(shè)置輸出電壓的方法：

• 外部VID0 - VID6輸入：當(dāng)所有SW1位置關(guān)閉時(shí)，通過開漏驅(qū)動(dòng)器（板上包含上拉電阻）或3V/5V CMOS輸出邏輯電平驅(qū)動(dòng)VID0 - VID6來設(shè)置輸出電壓。
• 開關(guān)SW1：當(dāng)SW1位置關(guān)閉時(shí)，MAX17021的D0 - D6輸入為邏輯1（連接到VDD）；當(dāng)SW1位置開啟時(shí)，D0 - D6輸入為邏輯0（連接到GND）。在操作過程中，可以通過開啟和關(guān)閉SW1來改變輸出電壓。

3. 降低功耗的電壓定位

MAX17021包含一個(gè)跨導(dǎo)放大器，用于為電壓定位感測路徑添加增益。放大器的輸入由電流感測輸入求和生成，該輸入差分感測電感DCR兩端的電壓。跨導(dǎo)放大器的輸出連接到電壓定位反饋輸入（FBAC），因此FBAC和VOUT之間的電阻（R17）決定了電壓定位增益。當(dāng)所有相位都有效時(shí)，電阻R17（4.32kΩ）在輸出端提供 - 2.1mV/A的電壓定位斜率。遠(yuǎn)程輸出和接地感測消除了任何額外的PCB電壓降。

4. 動(dòng)態(tài)輸出電壓過渡實(shí)驗(yàn)

MAX17021 EV套件設(shè)置為以12.6mV/μs的速度過渡輸出電壓。過渡速度可以通過縮放電阻R2和R3來改變。在電壓過渡期間，可以使用差分示波器探頭觀察電流感測輸入來查看電感電流。關(guān)機(jī)和啟動(dòng)期間的斜率控制可確保電池（輸入源）的進(jìn)出電流得到良好控制。

5. 負(fù)載瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)

對(duì)輸出施加大型、快速的負(fù)載瞬態(tài)，并使用示波器觀察輸出是一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)。為了準(zhǔn)確測量輸出紋波和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，應(yīng)避免使用接地夾線，并將探頭的接地屏蔽暴露出來，以便用盡可能短的導(dǎo)線將探頭直接接地到電路板。大多數(shù)用于電源測試的臺(tái)式電子負(fù)載無法對(duì)DC - DC轉(zhuǎn)換器施加超快速負(fù)載瞬態(tài)。模擬IMVP - 6.5 + VCORE引腳處的電源電流（di/dt）至少需要500A/μs的負(fù)載瞬態(tài)。一種簡單的方法是在N7位置安裝一個(gè)功率MOSFET，并在5mΩ至10mΩ之間安裝電阻R20來監(jiān)測瞬態(tài)電流，然后使用低占空比（< 5%）的強(qiáng)脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)其柵極（TP1），以最小化MOSFET的熱應(yīng)力。通過改變脈沖發(fā)生器的高電平輸出電壓來改變負(fù)載電流。

六、開關(guān)SW2設(shè)置

1. 關(guān)機(jī)設(shè)置（SW2 (1, 10)）

當(dāng)SHDN引腳連接到GND（SW2 (1, 10)開啟）時(shí)，MAX17021進(jìn)入低功耗關(guān)機(jī)模式。PWRGD立即被拉低，輸出電壓以R2和R3（71.1kΩ）設(shè)置的斜率的1/8下降。當(dāng)控制器達(dá)到0V目標(biāo)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器被禁用（DL1和DL2被拉低），參考電壓關(guān)閉，IC電源電流降至1μA（最大值）。當(dāng)故障條件觸發(fā)關(guān)機(jī)序列時(shí)，保護(hù)電路會(huì)設(shè)置故障鎖存器，防止控制器重新啟動(dòng)。要清除故障鎖存器并重新激活MAX17021，需要切換SHDN或循環(huán)VDD電源。

2. DPRSLPVR和PSI設(shè)置（SW2 (2, 9)和SW2 (3, 8)）

DPRSLPVR和PSI共同決定操作模式。在啟動(dòng)和引導(dǎo)模式期間，MAX17021將被強(qiáng)制進(jìn)入全相脈沖跳過模式；在從引導(dǎo)模式過渡到VID模式以及軟關(guān)機(jī)期間，將被強(qiáng)制進(jìn)入全相PWM模式。

3. DPRSTP設(shè)置（SW2 (5, 6)）

該1V邏輯輸入信號(hào)與DPRSLPVR信號(hào)一起選擇標(biāo)稱和“慢速”（標(biāo)稱速率的四分之一）斜率。當(dāng)DPRSTP和DPRSLPVR都被拉高時(shí)，斜率降低到標(biāo)稱斜率的四分之一。

4. PGDIN設(shè)置（SW2 (4, 7)）

PGDIN指示其他系統(tǒng)軌的電源狀態(tài)，用于電源排序。上電到引導(dǎo)電壓后，只要PGDIN保持低電平，輸出電壓將保持在VBOOT，CLKEN保持高電平，PWRGD保持低電平。當(dāng)PGDIN被拉高時(shí)，輸出過渡到所選的VID電壓，CLKEN被拉低。如果系統(tǒng)在正常操作期間將PGDIN拉低，MAX17021將立即驅(qū)動(dòng)CLKEN高電平，拉低PWRGD，并將輸出斜降到引導(dǎo)電壓（使用2相脈沖跳過模式）。控制器將保持在引導(dǎo)電壓，直到PGDIN再次變高、SHDN被切換或VDD被循環(huán)。

MAX17021評(píng)估套件為電子工程師提供了一個(gè)全面的解決方案，用于設(shè)計(jì)高性能筆記本CPU電源電路。通過深入了解其特點(diǎn)、組件和操作方法，工程師們可以更好地利用這個(gè)套件進(jìn)行電源管理設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的性能和可靠性。你在使用類似的電源管理評(píng)估套件時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。