探索MAX1937/MAX1938/MAX1939：高效CPU核心电源控制器

一、引言

在现代电子设备中，CPU核心电源的稳定供应至关重要。MAX1937/MAX1938/MAX1939作为一款同步、两相降压控制器，为桌面CPU核心电源提供了出色的解决方案。今天，我们就来深入了解这款控制器的特点、工作原理以及设计要点。

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二、产品概述

2.1 基本信息

MAX1937/MAX1938/MAX1939是一个系列的控制器，能够提供高达60A的负载电流。它们采用了Quick - PWM™控制架构，并结合了有源负载电流电压定位技术，具有瞬时负载阶跃响应能力，同时还能减少输出电容的需求。

2.2 关键特性

• 高精度输出：内部DAC提供±0.75%的超高精度输出电压。
• 高效节能：效率高达90%，甚至可以省去散热片。
• 宽输入范围：输入电压范围为8V至24V。
• 可编程电压定位：允许用户根据需求调整输出电压。
• 受控VID电压过渡：在VID输入变化时，能最小化欠压和过压过冲。
• 低电流纹波：两相以180°异相运行，有效开关频率为500kHz，降低了输入和输出电流纹波，减少了输入滤波电容的需求。

三、技术细节剖析

3.1 工作原理

• Quick - PWM控制架构：这是该控制器的核心，能提供快速的负载阶跃响应。通过一个单稳态触发器来设置高端开关的导通时间，该时间与施加到VCC的电压成反比，与输出电压成正比，从而实现接近恒定的开关频率。
• 电压定位（VPOS）：在负载瞬变时，动态调整输出电压的设定点。传统的DC - DC转换器在负载瞬变后会将输出电压调节回标称状态，而电压定位技术允许在负载较重时将输出电压设定在较低水平，这样在输出电流突然减小时，能承受更大的电压变化。通过这种方式，可以减少输出电容的使用数量，降低功耗。
• 同步两相运行：两相以180°异相运行，降低了输入滤波要求、电磁干扰（EMI），提高了效率。每个相的开关频率为250kHz，有效开关频率为500kHz，减少了输入电压纹波和RMS纹波电流，降低了输入电容需求和EMI屏蔽要求。

3.2 引脚功能

引脚	名称	功能
VID0 - VID4		电压识别输入位，用于设置输出电压。内部有100kΩ上拉电阻连接到VDD。
TIME		连接外部电阻（47kΩ至470kΩ），用于控制VID变化的转换速率。
VPOS		电压定位引脚。通过连接电阻到REF来设置输出电压定位下垂，或直接连接到REF以取消输出电压定位。
VDD		IC模拟电源输入，需连接5V电源。
ILIM		每相电流限制阈值设置引脚。可连接到VDD设置默认电流限制，或连接到REF到GND的分压器来调整电流限制。
GND		接地引脚。
GNDS		远程接地检测引脚，连接到负载端的输出地。在VRM应用中，还需在本地连接一个100Ω电阻到PGND。
REF		参考输出引脚，需连接一个0.1µF电容到GND。
EN		使能输入引脚。悬空或驱动为高电平以正常工作，驱动为低电平则关闭。
FB		远程反馈检测引脚，连接到负载端的输出。在VRM应用中，还需在本地连接一个100Ω电阻到输出。
PWRGD		电源良好输出引脚。当输出在规定范围内时为高阻态，当输出偏离VID代码设定电压超过12.5%时被拉低。
BST1、BST2		高端MOSFET栅极驱动自举输入引脚，需连接0.22µF或更高值的旁路电容到LX1、LX2，并连接肖特基二极管到VLG。
DH1、DH2		高端MOSFET栅极驱动输出引脚，在关闭时被拉低。
LX1、LX2		电感连接引脚，连接到电感的开关侧。
CS1、CS2		负电流检测输入引脚，可连接到与低端MOSFET串联的电流检测电阻，或连接到LX1、LX2以使用低端MOSFET的导通电阻进行电流检测。
DL1、DL2		低端MOSFET栅极驱动输出引脚，在关闭时被拉低。
PGND		电源接地引脚，连接到电流检测电阻或低端MOSFET源极连接的电源地。
VLG		DL_ 驱动器电源输入引脚，需连接4.5V至6.5V电源，为低端MOSFET栅极驱动和高端MOSFET自举电路供电。
VCC		输入电压检测引脚，连接到高端MOSFET漏极的输入电源，用于设置导通时间。

3.3 电气特性

• 电压范围：VCC的工作范围，MAX1937为6V至24V，MAX1938/MAX1939为8V至24V；VDD的工作范围为4.5V至5.5V；VLG的工作范围为4.5V至6.5V（VVLG > VVDD）。
• 电流特性：在不同工作状态下，各电源引脚的工作电流和关断电流都有明确的规定。例如，VCC在FB高于阈值（无开关）时的工作电流为20 - 40µA，关断电流小于5µA。
• 参考电压：参考电压为2.0V，精度为±0.75%，能提供高达50µA的源电流或吸收电流。
• 故障保护：具备VDD欠压锁定（UVLO）、VLG UVLO、热关断、参考UVLO、输出过压保护和输出欠压保护等功能，确保系统的稳定性和可靠性。

四、设计要点

4.1 元件选择

• 输出电感：推荐电感值为0.5µH至1µH，电感电流纹波比（LIR）为30%至40%。电感的等效直流电阻应尽可能低，饱和电流应大于峰值电感电流。
• 输出电容：输出电容的ESR要足够低，以满足输出纹波和负载瞬变要求。电容值要足够大，以吸收电感能量，避免触发过压保护电路。通常根据ESR和电压额定值来选择电容，陶瓷电容可作为高频去耦电容。
• 输入电容：输入电容用于减少从电源吸取的峰值电流，降低输入的噪声和电压纹波。非钽电容（陶瓷、铝电解、聚合物或OS - CON）因其对高浪涌电流的耐受性而更适合作为输入电容。
• BST电容：BST电容要足够大，以满足高端MOSFET的栅极充电需求。推荐使用0.22µF的陶瓷电容，以确保VBST_ 引脚的电压下降不超过100mV至200mV。

4.2 电路设计

• 外部线性稳压器：使用6V线性稳压器（如KA78M06）为VLG提供电源，以提高效率。同时，在VLG和PGND之间连接电容CVLG，以减少开关噪声。
• MOSFET驱动：DH 和DL 驱动器经过优化，用于驱动大型高端和低端MOSFET。为防止交叉导通或直通电流，在MOSFET开关之间设置固定的死区时间。
• 电流限制：可使用低端MOSFET的导通电阻或电流检测电阻来监测电感电流。电流限制阈值可通过ILIM引脚进行调节，调节范围为10mV至200mV。
• 电压定位设置：通过连接外部增益电阻RVPOS在REF和VPOS之间，可调整输出电压随负载电流的变化。

4.3 PCB布局

• 元件布局：尽可能将MOSFET、电感、输入/输出电容和电流检测电阻安装在PCB的顶层，并将这些元件的接地连接在一个电源接地平面上。其他接地连接到一个单独的模拟接地平面，并在单点将模拟接地平面连接到电源接地。
• 散热设计：将高功率元件（MOSFET、电感和电流检测电阻）放置在较大的PCB区域，或使用散热片来帮助散热。
• 布线要求：保持高电流走线短而宽，以降低电阻。同时，使栅极驱动连接（DH 和DL）短而宽，宽度为50mils至100mils。对于电流检测电阻，使用开尔文检测连接。将REF电容、VDD电容、BST_ 二极管和电容尽可能靠近IC放置。

五、应用领域

MAX1937/MAX1938/MAX1939适用于多种应用场景，包括笔记本和台式计算机、服务器和工作站、刀片服务器、高端交换机、高端路由器以及宏基站等。

六、总结

MAX1937/MAX1938/MAX1939凭借其先进的控制架构、高精度的输出和丰富的保护功能，为CPU核心电源提供了可靠的解决方案。在设计过程中，合理选择元件、优化电路设计和PCB布局，能够充分发挥其性能优势，满足不同应用的需求。你在使用这款控制器时遇到过哪些问题？或者你对它还有哪些方面想进一步了解呢？欢迎在评论区留言讨论。