深入解析 MAX1716/MAX1854/MAX1855：高速可调同步降压控制器

在当今的电子设备中，尤其是笔记本电脑等对电源管理要求极高的设备，高效稳定的 CPU 核心电源供应至关重要。MAX1716/MAX1854/MAX1855 这三款同步降压控制器，凭借其出色的性能，成为了笔记本电脑 CPU 核心电源转换器的理想选择。

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产品概述

MAX1716/MAX1854/MAX1855 专为笔记本电脑的 CPU 核心 DC - DC 转换器设计，具有动态可调输出（5 位 DAC）、超快速瞬态响应、高直流精度和高效率等特点，能满足前沿 CPU 核心电源的需求。其采用的 Quick - PWM™ 快速响应、恒定导通时间 PWM 控制方案，能轻松处理宽输入/输出电压比，在保持相对恒定开关频率的同时，提供 100ns 的“即时导通”负载瞬态响应。

主要特性

1. 高效电压定位：通过电压定位输入（VPS）和高直流精度控制环路，可根据负载电流调整输出设定点，降低满载功耗，减少输出电容数量。
2. Quick - PWM 架构：独特的控制架构，能有效处理快速负载变化，保持相对稳定的工作频率和电感工作点。
3. 高精度输出：±1% 的 VOUT 线路调节精度，确保输出电压的稳定性。
4. 可调输出范围：不同型号具有不同的可调输出范围，如 MAX1716 为 0.925V 至 1.6V，MAX1854 为 0.925V 至 2.0V，MAX1855 为 0.600V 至 1.75V。
5. 宽输入范围：2V 至 28V 的输入范围，可适应不同的电源环境。
6. 多种保护功能：具备输出欠压保护、过压保护（MAX1716/MAX1855）等，保障系统的安全稳定运行。
7. 低功耗设计：1µA 的关断电源电流，降低系统功耗。

工作原理

恒导通时间 PWM 控制器

Quick - PWM 控制架构是一种具有电压前馈的恒导通时间、电流模式类型。它依靠输出纹波电压提供 PWM 斜坡信号，输出滤波电容的 ESR 充当反馈电阻。控制算法简单，高端开关导通时间由一个单稳态触发器决定，其周期与输入电压成反比，与输出电压成正比。另一个单稳态触发器设置最小关断时间（典型值 400ns）。当误差比较器为低电平、低端开关电流低于电流限制阈值且最小关断时间单稳态触发器超时，导通时间单稳态触发器被触发。

导通时间单稳态触发器（TON）

PWM 核心的关键是设置高端开关导通时间的单稳态触发器。它能根据输入和输出电压调整导通时间，使高端开关导通时间与 V + 成反比，与 DAC 代码设置的输出电压成正比。这种算法在没有固定频率时钟发生器的情况下，实现了近乎恒定的开关频率，带来避免噪声敏感区域和保持电感纹波电流工作点相对恒定的好处。

自动脉冲跳过切换

在跳过模式（(overline{SKIP} = low)）下，轻载时会自动切换到 PFM 模式。通过比较器在电感电流过零时截断低端开关导通时间，使脉冲跳过 PFM 和非跳过 PWM 操作的阈值与连续和不连续电感电流操作的边界一致。

强制 PWM 模式（(overline{SKIP} = High)）

低噪声的强制 PWM 模式禁用控制低端开关导通时间的过零比较器，使低端栅极驱动波形成为高端栅极驱动波形的互补。这导致轻载时电感电流反向，保持开关频率近乎恒定，但会增加空载电源电流。

电流限制电路（ILIM）

采用独特的“谷值”电流传感算法，当电流传感信号高于电流限制阈值时，控制器不会启动新的周期。实际峰值电流比电流限制阈值大一个等于电感纹波电流的值。还有负电流限制，防止 VOUT 吸收电流时电感反向电流过大。

MOSFET 栅极驱动器（DH 和 DL）

DH 和 DL 驱动器针对驱动中等大小的高端和较大的低端功率 MOSFET 进行了优化。自适应死区时间电路监控 DL 输出，防止高端 FET 在 DL 完全关断之前导通。

DAC 转换器（D0–D4）

数字 - 模拟转换器（DAC）用于编程输出电压，接收来自 VID 输入（D0–D4）的预设数字代码。D0 - D4 可在调节器工作时更改，同步更改可避免输出电压过渡时的错误。

关断（SHDN）

将 SHDN 驱动为低电平可使控制器进入低电流关断状态，关断时开启低端 MOSFET，将输出电容放电并使输出接地。将 SHDN 驱动或连接到 VCC 可进行正常操作，SHDN 上升沿可清除故障锁存器。

上电复位

当 VCC 上升到约 2V 以上时，发生上电复位，复位故障锁存器和软启动计数器，为调节器的运行做好准备。

欠压锁定和软启动

VCC 欠压锁定（UVLO）电路抑制开关操作，强制 VGATE 为低电平，并驱动 DL 输出为高电平。VCC 电压低于 4.2V 时，假设电源电压不足以做出有效决策，为保护输出免受过压故障影响，DL 被强制为高电平。VCC 上升到 4.2V 以上后，内部数字软启动定时器开始逐步增加最大允许电流限制。

电源良好输出（VGATE）

VGATE 是窗口比较器的开漏输出，只要输出电压在调节电压的 ±10% 范围内，就保持高阻抗。输出电压超出该范围或出现故障时，内部 MOSFET 激活，将输出拉低。

输出过压保护（仅 MAX1716/MAX1855）

过压保护（OVP）电路用于防止高端 MOSFET 短路，持续监控输出电压，超过 OVP 阈值时触发并关闭电路，DL 低端栅极驱动器输出锁定为高电平，直到 SHDN 切换或 VCC 脉冲低于 1V。

输出欠压保护

输出欠压保护（UVP）功能类似于折返电流限制，采用定时器而非可变电流限制。调节器输出电压低于标称值的 40% 且经过 20ms 欠压故障消隐时间后，PWM 锁定关闭，直到 SHDN 切换或 VCC 脉冲低于 1V 才重启。

热故障保护

当温度高于 +150°C 时，DL 低端栅极驱动器输出锁定为高电平，直到 SHDN 切换或 VCC 脉冲低于 1V。阈值有 +10°C 的热滞回，防止调节器在芯片冷却前重启。

无故障测试模式

为方便调试原型面包板，提供无故障测试模式，禁用 OVP、UVP 和热关断功能，并清除故障锁存器。通过外部负电压源和电阻从 SKIP 吸收 1.5mA 电流进入该模式。

设计要点

输入电压范围和最大负载电流

在选择开关频率和电感工作点之前，需明确输入电压范围和最大负载电流。输入电压范围的最大值要考虑最坏情况下的高交流适配器电压，最小值要考虑连接器、保险丝和电池选择开关后的最低输入电压。最大负载电流包括峰值负载电流和连续负载电流，分别影响瞬时组件应力、滤波要求和热应力。

开关频率

开关频率的选择决定了尺寸和效率之间的权衡。最佳频率主要取决于最大输入电压，同时也受 MOSFET 技术进步的影响。

电感工作点

电感工作点影响尺寸和效率的权衡。低电感值会导致大纹波电流，尺寸小但效率低、输出噪声高。最佳点通常在 20% 至 50% 纹波电流之间。

电感选择

根据开关频率和工作点（纹波百分比或 LIR）确定电感值，选择低损耗、直流电阻尽可能低且能适应规定尺寸的电感。

电流限制设置

最小电流限制阈值要足够大以支持最大负载电流，可通过将 ILIM 连接到 VCC 设置默认 120mV 电流限制阈值，或使用可调模式。

输出电容选择

输出滤波电容的 ESR 要足够低以满足输出纹波和负载瞬态要求，同时要足够高以满足稳定性要求。电容值要足够大以吸收电感能量，防止过压保护电路触发。

输入电容选择

输入电容要满足纹波电流要求，对于大多数应用，非钽电容类型更受青睐，选择在 RMS 输入电流下温度上升小于 +10°C 的电容以确保电路寿命。

功率 MOSFET 选择

选择高端 MOSFET 时，要使传导损耗和开关损耗在平均输入电压下相等；选择低端 MOSFET 时，要选择导通电阻尽可能低、封装适中且价格合理的器件。

电压定位设置（VPS）

电压定位可根据负载电流动态改变输出电压设定点，减少功耗。通过小值感测电阻（RSENSE）设置电压变化量，可通过多种方式设置 VPS 电压。

电压定位补偿（CC）

电压定位补偿电容过滤放大后的 VPS 信号，用户可通过连接 47pF 至 1000pF 的电容从 CC 到 GND 调整电压定位环路的动态特性。

应用问题

电压定位和有效效率

电压定位可减少输出电容数量，降低高负载电流时的功耗。通过比较传统电路和电压定位电路的总电压变化，可看出电压定位电路的优势。有效效率是指非电压定位电路达到与电压定位电路相同总功耗所需的效率。

降压性能

连续导通操作的输出电压可调范围受不可调的 500ns（最大）最小关断时间单稳态触发器限制。为获得最佳降压性能，可使用较慢的（200kHz）导通时间设置。接近降压点时，降压调节器的瞬态响应性能较差，可能需要增加大容量输出电容。

调整 VOUT

可使用电阻分压器调整输出电压，但会导致开关频率变化。调整输出电压高于 2V 时，可通过在电池感测输入（V +）添加电阻分压器来补偿频率变化。

单级（电池输入）与两级（5V 输入）应用

单级应用总电感尺寸小、电容少，瞬态响应好，总效率高；两级应用电路尺寸小、局部功耗低，可灵活放置，可通过电压定位转换器弥补瞬态响应慢的问题。

陶瓷输出电容应用

陶瓷电容具有超低 ESR、不可燃、体积小、无极性等优点，但价格昂贵、易碎，超低 ESR 特性可能导致过高的 ESR 零频率。在电压定位电路中，MAX1716 可充分利用陶瓷输出电容的优点，通过增加定位电阻降低有效 ESR 零频率。

PCB 布局指南

精心的 PCB 布局对于实现低开关损耗和稳定运行至关重要。要保持高电流路径短，连接所有模拟地到单独的实心铜平面，保持电源走线和负载连接短，使用 Kelvin 感测连接进行电流限制，合理权衡走线长度，确保 FB 连接短而直接，将高速开关节点远离敏感模拟区域。

总结

MAX1716/MAX1854/MAX1855 同步降压控制器以其先进的技术和丰富的功能，为笔记本电脑 CPU 核心电源供应提供了高效、稳定的解决方案。在设计过程中，工程师需要综合考虑输入电压范围、负载电流、开关频率、电感和电容选择等多个因素，同时注意 PCB 布局的细节，以充分发挥这些控制器的性能优势，满足不同应用场景的需求。你在实际应用中是否遇到过类似控制器的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。