MAX77874：16A高性能四相降压调节器，引领多核心处理器电源解决方案

在电子设备飞速发展的今天，多核心CPU和GPU处理器对电源的要求越来越高。高性能、高效率且小尺寸的电源解决方案成为了工程师们追求的目标。Analog Devices的MAX77874四相降压调节器，正是这样一款满足多核心处理器电源需求的优秀产品。

文件下载：MAX77874.pdf

一、产品概述

MAX77874是一款专为CPU和GPU多核心处理器设计的四相、大电流降压调节器。它采用了专有的IP技术，在瞬态响应、输出电压精度、效率和PCB占用面积等方面都表现出色。其输出电压可通过I2C接口在0.25V至1.30V之间以5mV的步长进行编程，输出电流能力高达16A。该产品采用48凸块、0.35mm间距的WLP封装，工作温度范围为 -40°C至 +85°C，适用于智能手机、平板电脑、超极本、相机、游戏设备、无人机、机器人、虚拟现实以及AI和嵌入式微处理器等多种应用场景。

二、产品特性

（一）宽工作范围

• 输入电压（VIN）：2.7V至4.8V，能够适应多种电源输入环境。
• 输出电压（VOUT）：0.25V至1.30V，以5mV的步长进行编程，可灵活满足不同处理器的电压需求。
• 输出电流（IOUT）：最大可达16A，能够为多核心处理器提供充足的电流支持。

（二）快速负载瞬态响应

在不同的工作模式下，MAX77874都能实现快速的负载瞬态响应。例如，在FPWM和Turbo - Skip模式下，负载从200mA跃升至9.2A时，电压降仅为25mV；在Skip模式下，电压降为40mV。这种快速响应能力能够确保处理器在负载变化时稳定工作。

（三）高精度输出电压

• 初始精度：在0.9VOUT时，初始精度最大为0.28%。
• 全范围精度：在不同的线路和温度条件下，最大精度为1.5%。
• 输出纹波：在所有负载下，典型纹波仅为3mVP - P，能够为处理器提供稳定的电源。

（四）高效节能

• 峰值效率：在3.7VIN、0.9VOUT、3.5AOUT的条件下，峰值效率可达89%。
• 轻载自动旋转相位扩展：在轻载时，采用自动旋转相位扩展技术，能够有效提高效率，降低纹波。

（五）灵活的功能特性

• I2C接口和逻辑引脚：通过I2C接口可以对输出电压、动态电压缩放（DVS）、中断和控制模式等进行配置，同时还提供了EN、DVS、IRQ等逻辑引脚，方便进行外部控制。
• 可编程软启动和DVS斜坡速率：软启动和DVS斜坡速率可通过I2C进行编程，能够根据不同的应用需求进行调整。
• 双热警报和POK中断：具备两个热警报和POK中断功能，能够实时监测设备的温度和输出电压状态，确保设备的安全稳定运行。

（六）小尺寸解决方案

• 封装尺寸：采用2.22mm x 2.92mm的WLP封装，0.35mm间距，占用PCB面积小。
• 总体面积：搭配2012尺寸的电感时，总面积仅为37mm²；搭配2016尺寸的电感时，总面积为41mm²。

三、工作模式

（一）Skip模式

Skip模式在轻载时能够提供最低的电源电流和最高的效率，但在负载瞬态时，输出电压的下降幅度比其他模式更大。

（二）Turbo Skip模式

Turbo Skip模式结合了出色的瞬态响应（与FPWM模式相同）和接近Skip模式的轻载效率和电源电流，因此是默认设置。

（三）Forced PWM（FPWM）模式

FPWM模式为对噪声敏感的应用提供了近乎恒定的开关频率，但在轻载时电源电流较高，效率较低。其瞬态响应与Turbo Skip模式相似。

四、关键技术

（一）Quick - PWM™控制方案

MAX77874采用了Maxim的专有Quick - PWM™快速响应、恒定导通时间PWM控制方案。该方案能够轻松处理宽输入/输出电压比（低占空比应用），对负载瞬态提供即时响应，同时保持近乎恒定的开关频率。此外，它还具有很高的环路带宽，能够在负载瞬态期间实现最小的电压降/飙升和快速恢复。

（二）旋转相位扩展技术

在轻载时，专有旋转相位扩展技术会按旋转顺序切换所有四个相位，并在开关脉冲之间的零电流状态下延长时间。与完全禁用某些相位的相位削减技术相比，旋转相位扩展技术在不同负载之间的过渡更加平滑，输出纹波更小，干扰更少。

（三）增强型瞬态响应（ETR）

在Skip和Turbo Skip模式下，转换器能够同时激活所有四个相位以响应负载瞬态。不过，在Skip模式下，为了实现更低的静态电流，响应速度不如Turbo Skip模式快。在FPWM模式下，由于控制器具有高环路带宽，不需要ETR电路。

五、设计要点

（一）外部组件选择

• 输入电容：每个IN_到GND之间应使用10μF（总共40μF）的电容进行旁路，推荐使用0402尺寸、X5R电介质、6.3V额定电压的陶瓷电容。
• 本地输出电容：每相推荐使用至少2x 22μF（每相44μF）的电容，同样采用0402尺寸、X5R电介质、4V额定电压的陶瓷电容。
• 远程输出电容：远程感测线应使用至少3x 22μF（总共66μF）的电容进行去耦，电容规格与本地输出电容相同。
• 偏置电容：每个偏置电源（VCC、VIO、VDD_DIG、VDD_ANA）到地之间应使用1μF、0201尺寸的陶瓷电容进行旁路。
• 电感：MAX77874B针对标称电感为220nH或240nH的电感进行了微调。电感的饱和电流额定值应至少为调节器的峰值电流限制，RMS电流额定值应根据系统的预期负载电流进行选择。同时，还应考虑电感的直流电阻（DCR）、交流电阻（ACR）和外壳尺寸。

（二）PCB布局考虑

由于MAX77874的开关速度快、电流大，因此在PCB布局时需要仔细规划走线。应尽量减小IC与电感、输入电容和输出电容之间的走线长度，保持这些关键走线短而宽。确保输入和输出电容的接地连接尽可能靠近，并连接到PG_，将AGND和PG_走线直接连接到接地平面。在布线SNS+和SNS - 走线时，应保持走线足够短，以减少寄生电感，并将SNS - 连接到输出电容的接地端，SNS+连接到输出电容的正端。可以使用中间接地平面来屏蔽SNS+和SNS - 走线，避免受到嘈杂的开关路径的干扰。

六、I2C通信

MAX77874具有一个兼容I2C 3.0的2线串行接口，包括双向串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL）。它作为一个仅从设备，依赖主设备生成时钟信号，支持0Hz至3.4MHz的SCL时钟速率。I2C是一个开漏总线，因此SDA和SCL需要上拉电阻。

（一）数据传输

在每个SCL时钟周期内传输一位数据。SDA上的数据在SCL时钟脉冲的高电平期间必须保持稳定，SCL为高电平时SDA的变化为控制信号。每个传输序列由一个START（S）条件和一个STOP（P）条件框定，每个数据包为9位长，包括8位数据和1位确认位，数据以MSB优先的方式传输。

（二）通信协议

• 写入单个寄存器：主设备发送START命令，然后发送7位从设备地址和写位，从设备确认后，主设备发送8位寄存器指针，再次确认后发送数据字节，从设备更新数据并确认，最后主设备发送STOP或REPEATED START命令。
• 写入多个连续寄存器：与写入单个寄存器的协议类似，主设备在收到第一个数据字节后继续写入，完成后发送STOP或REPEATED START命令。
• 读取单个寄存器：主设备发送START命令，发送7位从设备地址和写位，从设备确认后，主设备发送8位寄存器指针，再次确认后发送REPEATED START命令，然后发送7位从设备地址和读位，从设备确认后将8位数据放在总线上，主设备发送非确认位，最后发送STOP或REPEATED START命令。
• 读取连续寄存器：与读取单个寄存器的协议类似，主设备在收到数据后发送确认位，需要更多数据时继续发送确认位，不需要时发送非确认位和STOP命令。

（三）高速模式

要进入高达3.4MHz的高速模式，主设备需要在总线速度为1MHz或更低时开始协议，发送START命令和8位主代码（0b0000 1XXX），从设备发送非确认位，主设备可以将总线速度提高到3.4MHz并进行读写操作，直到发送STOP命令。

七、总结

MAX77874四相降压调节器以其高性能、高效率、小尺寸和灵活的功能特性，为多核心CPU和GPU处理器提供了优秀的电源解决方案。在设计过程中，合理选择外部组件和优化PCB布局，能够充分发挥其性能优势。同时，通过I2C接口进行灵活配置和通信，能够满足不同应用场景的需求。对于电子工程师来说，MAX77874是一款值得信赖的电源管理芯片。

在实际应用中，你是否遇到过类似电源管理芯片的设计挑战？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。