MAX8720：动态可调6位VID降压控制器的深度解析

在电子设备的电源管理领域，降压控制器是不可或缺的关键组件，它直接影响着设备的性能、效率和稳定性。今天我们就来深入探讨一款功能强大的降压控制器——MAX8720。

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一、MAX8720概述

MAX8720是一款专为笔记本电脑CPU核心DC - DC转换器设计的降压控制器。它具备动态可调输出、超快速瞬态响应、高DC精度以及领先的CPU核心电源所需的高效率等特性。其采用的Quick - PWM™快速响应、恒定导通时间PWM控制方案，能轻松应对宽输入/输出电压比，在保持相对恒定开关频率的同时，为负载瞬变提供100ns的“即时开启”响应。

输出电压动态调整

通过6位数模转换器（DAC），输出电压可在0.275V至1.850V范围内以25mV的步长进行动态调整。同时，它拥有独立的四级逻辑输入，用于设置暂停电压（S0 - S1）。精确的压摆率控制能确保“及时”到达新的DAC设置，从而最大限度地减少电池的浪涌电流。

封装形式

MAX8720有28引脚QSOP或36引脚6mm x 6mm薄型QFN封装可供选择，以满足不同的应用需求。

二、关键特性剖析

1. Quick - PWM架构

• 高精度输出：在不同的线路和负载条件下，输出电压精度可达±1%。
• 6位板载DAC：配备输入多路复用器，能实现精确的输出电压控制。
• 精确可调的输出压摆控制：输出调整范围为0.275V至1.850V，能适应多种不同的应用场景。
• 远程反馈和地检测：支持电压定位应用，可轻松补偿PC板走线中的IR压降。

2. 输入输出范围与频率

• 电池输入范围：2V至28V，能适应多种电池类型和电压范围。
• 开关频率：提供200kHz/300kHz/550kHz/1000kHz多种选择，可根据具体应用需求进行灵活配置。

3. 保护功能

• 过/欠压保护：能有效保护电路免受异常电压的影响，提高系统的稳定性和可靠性。
• 驱动能力：可驱动大型同步整流FET，满足高功率应用的需求。

4. 低功耗设计

• 静态电流：ICC电源电流典型值为800µA，关机电源电流典型值为10µA，有助于降低系统功耗。
• 参考输出：提供2V ±0.75%的参考输出，可作为精确的系统参考。

三、电气特性详解

1. PWM控制器

• 输入电压范围：电池电压V +、VCC和VDD的输入范围为4.5V至28V，能适应不同的电源环境。
• DC输出电压精度：在不同的DAC代码范围内，输出电压精度有所不同，如0.9V至1.85V范围内为±1%，0.45V至0.875V范围内为±10%等。
• 线路调节误差：在VCC为4.5V至5.5V、V +为4.5V至28V的条件下，线路调节误差为5mV。

2. 偏置与参考

• 静态电源电流：VCC和VDD的静态电源电流在不同条件下有不同的值，如FB强制高于调节点时，VCC的静态电源电流为700 - 1200µA，VDD的静态电源电流小于1 - 5µA。
• 参考电压：参考电压VREF在VCC为4.5V至5.5V、IREF为0的条件下，在0°C至+85°C的温度范围内为1.98 - 2.02V。

3. 故障检测

• 过/欠压保护：输出过压跳闸阈值为2.20 - 2.30V，输出欠压保护跳闸阈值相对于空载输出电压为65 - 75%。
• PGOOD信号：PGOOD信号在输出调节正常时为高电平，当VFB不在DAC设置的±15%窗口内时，PGOOD信号被拉低。在DAC代码转换期间，PGOOD信号会被强制拉高8个时钟周期。

4. 电流限制

• 电流限制阈值：电流限制阈值分为固定和可调两种模式，固定模式下为85 - 115mV，可调模式下根据ILIM引脚的电压不同而不同，范围为35 - 230mV。
• 负电流限制：负电流限制阈值设置为正电流限制的约120%，可防止反向电感电流过大。

5. 栅极驱动器

• DH和DL栅极驱动器：DH和DL栅极驱动器的导通电阻在不同封装和条件下有所不同，如QSOP封装下DH的导通电阻为1.0 - 3.5Ω，DL的导通电阻在高电平和低电平状态下也有不同的值。
• 驱动电流：DH栅极驱动器的源/灌电流为2A，DL栅极驱动器的源电流为1.6A，灌电流为4A。

四、典型工作特性

1. 效率与负载电流

在不同的输入电压和负载电流条件下，MAX8720的效率表现有所不同。例如，在输出电压为1.25V时，随着负载电流的增加，效率会先上升后下降。在PWM模式下，效率相对较高；而在SKIP模式下，轻载时效率更高。

2. 输出电压与负载电流

输出电压在负载电流变化时能保持相对稳定，其波动范围在规定的精度范围内。

3. 开关频率与负载电流

开关频率在负载电流变化时也能保持相对稳定，不同的TON设置会影响开关频率，如TON连接到GND时开关频率为1000kHz，连接到REF时为550kHz等。

五、引脚功能介绍

1. 电源相关引脚

• V +：电池电压感测连接引脚，用于PWM单触发定时，DH导通时间与输入电压成反比。
• VCC和VDD：分别为模拟电源输入和DL栅极驱动器的电源输入，需连接到系统电源电压（+4.5V至+5.5V），并通过旁路电容进行滤波。

2. 控制引脚

• SHDN：关机控制输入引脚，连接到VCC时为正常工作状态，连接到GND时进入关机状态。
• TIME：压摆率调整引脚，通过连接电阻到GND来设置内部压摆率时钟。
• TON：导通时间选择控制输入引脚，通过连接到不同的引脚可设置不同的开关频率。

3. 反馈与检测引脚

• FB：快速反馈输入引脚，连接到外部电感和输出电容节点的 junction。
• FBS：反馈远程感测输入引脚，用于非电压定位电路时直接连接到负载的VOUT，用于电压定位电路时直接连接到FB附近以禁用FBS远程感测积分放大器。
• GNDS：地远程感测输入引脚，用于非电压定位电路时直接连接到负载的地，用于电压定位电路时可通过电阻分压器从REF偏置以增加输出电压。

4. 其他引脚

• PGOOD：开漏电源良好输出引脚，用于指示输出是否处于调节状态。
• D0 - D5：DAC代码输入引脚，用于编程输出电压。
• S0和S1：暂停模式电压选择输入引脚，用于选择暂停模式的VID代码。

六、详细工作原理

1. 5V偏置电源

MAX8720除了电池外，还需要一个外部5V偏置电源。通常，这个5V偏置电源是笔记本电脑的95%高效5V系统电源。将偏置电源置于IC外部可提高效率，并消除为PWM电路和栅极驱动器供电所需的5V线性稳压器的成本。

2. 参考电压（REF）

2V参考电压在温度和负载变化时精度可达±0.75%，可作为精确的系统参考。通过旁路电容将REF连接到GND，可提供高达100µA的源电流和10µA的灌电流，以支持外部负载。

3. 自由运行、恒定导通时间PWM控制器

Quick - PWM控制架构是一种伪固定频率、恒定导通时间、电流模式类型，并带有电压前馈。该架构利用输出滤波电容的ESR作为电流感测电阻，输出纹波电压提供PWM斜坡信号。导通时间由一个单触发电路决定，其周期与输入电压成反比，与输出电压成正比。

4. 导通时间单触发（TON）

PWM核心的关键是设置高端开关导通时间的单触发电路。该电路能根据电池和输出电压调整导通时间，使开关频率接近恒定。导通时间的计算公式为：On - Time = K(V VOUT + 0.075 V) / VIN，其中K由TON引脚的连接方式决定。

5. 积分放大器和输出电压偏移

三个积分放大器用于对输出调节点进行精细调整，分别积分GNDS和AGND、FBS和FB、REF和DAC输出之间的差值。这些放大器的输出在芯片内部直接相加，可通过一个电容轻松设置积分时间常数。

6. 强制PWM模式和自动脉冲跳过切换

• 强制PWM模式：在低噪声强制PWM模式下，零交叉比较器被禁用，允许电感电流在轻载时反向。该模式可保持开关频率相对恒定，但会增加空载电池电流。
• 自动脉冲跳过切换：在脉冲跳过模式下，当轻载时会自动切换到PFM模式。切换点由一个比较器决定，该比较器在电感电流过零时截断低端开关的导通时间。

7. 电流限制电路

电流限制电路采用独特的“谷值”电流感测算法，利用低端MOSFET的导通电阻作为电流感测元件。当电流感测信号高于电流限制阈值时，PWM不允许启动新的周期。

8. MOSFET栅极驱动器

DH和DL驱动器经过优化，可驱动中等大小的高端和较大的低端功率MOSFET。自适应死区时间电路可防止高端FET在DL完全关断之前导通。

9. VCC POR和UVLO

上电复位（POR）在VCC上升到约2V时发生，复位故障锁存器并准备PWM进行操作。VCC欠压锁定（UVLO）电路会抑制开关，强制PGOOD为低电平，并强制DL栅极驱动器为低电平。

10. 软启动和软关机

• 软关机：当SHDN引脚为低电平时，MAX8720进入低功耗关机模式，输出电压以25mV的步长逐步下降到0V。
• 软启动：当SHDN引脚为高电平时，参考电源上电，经过参考UVLO后，DAC目标被评估并开始切换，输出电压以25mV的步长逐步上升到当前选择的代码值。

11. 标称输出电压设置

MAX8720使用一个多路复用器从两个不同的输入（VID DAC输入或暂停模式S0、S1输入）中选择。启动时，MAX8720将目标电压从地上升到解码后的D0 - D5电压或S0、S1电压。

12. DAC输入（D0 - D5）

数字 - 模拟转换器（DAC）用于编程输出电压，通常从CPU引脚接收预设的数字代码。在SMPS激活时，可更改D0 - D5以启动到新输出电压水平的转换。

13. 暂停模式（S0、S1、SUS）

当CPU进入低功耗暂停模式时，处理器将调节器设置为较低的输出电压以降低功耗。MAX8720的暂停模式输入（S0、S1）和数字SUS控制输入可用于设置暂停电压。

14. 输出电压过渡定时

MAX8720设计用于以受控方式执行输出电压过渡，自动最小化输入浪涌电流。过渡时间取决于RTIME、电压差和MAX8720的压摆率时钟精度，与总输出电容无关。

15. 输出过压保护

过压保护（OVP）电路用于保护CPU免受高端MOSFET短路的影响。当输出电压超过2.25V时，OVP被触发，电路关闭，DL低端栅极驱动器输出被锁存为高电平。

16. 输出欠压关机

输出欠压保护（UVP）功能类似于折返电流限制，但使用定时器而不是可变电流限制。当输出电压低于标称值的70%时，PWM被锁存关闭，直到VCC电源循环或SHDN引脚被切换。

七、设计流程

1. 确定参数

在选择开关频率和电感工作点（纹波电流比）之前，需确定输入电压范围和最大负载电流。主要的设计权衡在于选择合适的开关频率和电感工作点，以下四个因素决定了其余设计：

• 输入电压范围：最大输入电压（VIN(MAX)）必须考虑最坏情况下的高交流适配器电压，最小输入电压（VIN(MIN)）必须考虑连接器、保险丝和电池选择开关后的最低电池电压。
• 最大负载电流：需要考虑峰值负载电流（ILOAD(MAX)）和连续负载电流（ILOAD），分别影响瞬时组件应力和滤波要求以及热应力。
• 开关频率：开关频率的选择决定了尺寸和效率之间的基本权衡，最佳频率主要取决于最大输入电压和MOSFET技术的发展。
• 电感工作点：电感工作点的选择提供了尺寸与效率、瞬态响应与输出纹波之间的权衡。低电感值可提供更好的瞬态响应和更小的物理尺寸，但会导致效率降低和输出纹波增加。

2. 电感选择

根据开关频率和电感工作点，可通过公式(L=frac{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}{V{IN } f{SW } I{LOAD(MAX)} LIR })计算电感值。选择低损耗、直流电阻尽可能低的电感，确保其在峰值电感电流下不饱和。

3. 瞬态响应计算

电感纹波电流会影响瞬态响应性能，尤其是在低VIN - VOUT差的情况下。可通过公式计算输出电压的下垂和过冲：

• 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]})
• 过冲：(V{SOAR } approx frac{left(Delta I{LOAD(MAX)}right)^{2} L}{2 C{OUT } V{OUT }})

4. 设置电流限制

最小电流限制阈值必须足够大，以支持最大负载电流。可通过连接ILIM引脚到VCC设置默认的100mV电流限制阈值，或通过连接电阻分压器从REF到GND来调整电流限制阈值。

5. 输出电容选择

输出滤波电容的选择需考虑等效串联电阻（ESR）和电容值，以满足输出纹波和负载瞬态要求。输出电容的大小取决于最大ESR要求和防止输出电压下降过低所需的ESR。

6. 输出电容稳定性考虑

稳定性取决于ESR零点相对于开关频率的值，可通过公式(f{ESR} leq frac{f{SW }}{pi})和(R{ESR} × C{OUT } geq 1 /(2 × f_{S W}))来判断。检查稳定性的方法是施加快速的零到最大负载瞬变，并观察输出电压纹波包络的过冲和振铃。

7. 输入电容选择

输入电容必须满足纹波电流要求，通常选择非钽电容以抵抗浪涌电流。选择在RMS输入电流下温度上升小于+10°C的输入电容，以确保最佳的可靠性和寿命。

8. 功率MOSFET选择

• 高端MOSFET：高端MOSFET（NH）必须能够在VIN(MIN)和VIN(MAX)下耗散电阻损耗和开关损耗。选择传导损耗等于开关损耗的高端MOSFET可实现最大效率。
• 低端MOSFET：选择导通电阻尽可能低、封装适中且价格合理的低端MOSFET（NL），确保MAX8720 DL栅极驱动器能够提供足够的电流来支持栅极电荷和寄生电容注入的电流。

9. 功率MOSFET耗散计算

• 高端MOSFET：高端MOSFET的最坏情况传导损耗发生在最小输入电压下，开关损耗的计算较为复杂，需考虑多种因素。
• 低端MOSFET：低端MOSFET的最坏情况功率耗散总是发生在最大电池电压下。

10. 肖特基二极管选择

选择正向电压降足够低的肖特基二极管（DL），以防止低端MOSFET的体二极管在死区时间内导通。一般选择直流电流额定值为负载电流1/3的二极管。

11. 升压电容选择