MAX1717：笔记本CPU动态可调同步降压控制器深度解析

一、引言

在笔记本电脑的设计中，CPU核心电源的稳定供应至关重要。MAX1717作为一款专为笔记本CPU核心DC - DC转换器设计的降压控制器，凭借其动态可调输出、超快瞬态响应、高DC精度和高效率等特点，成为了众多工程师的选择。本文将深入剖析MAX1717的各项特性、工作原理、应用场景以及设计要点。

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二、产品概述

MAX1717专为笔记本电脑的核心CPU DC - DC转换器设计，具有动态可调输出、超快瞬态响应、高DC精度和高效率等特性，能满足前沿CPU核心电源的需求。其采用了Maxim的专有Quick - PWM™快速响应、恒定导通时间PWM控制方案，可轻松处理宽输入/输出电压比，并在负载瞬变时提供100ns的“即时导通”响应，同时保持相对恒定的开关频率。

2.1 产品特性

• Quick - PWM架构：在整个线路和负载范围内具有±1%的VOUT精度。
• 5位板载DAC与输入多路复用器：可实现0.925V至2V的输出调节范围，具备精确可调的VOUT压摆控制。
• 支持电压定位应用：电池输入范围为2V至28V，需要单独的 + 5V偏置电源。
• 灵活的开关频率：支持200/300/550/1000kHz开关频率。
• 保护功能齐全：具备过/欠压保护，可驱动大型同步整流FET。
• 低功耗：典型ICC电源电流为700µA，关机电源电流仅2µA。
• 小封装：采用24引脚QSOP封装。

2.2 应用场景

• 配备SpeedStep™或其他动态可调处理器的笔记本电脑。
• 2节至4节Li + 电池到CPU核心电源的转换器。
• 5V到CPU核心电源的转换器。

三、工作原理

3.1 +5V偏置电源

MAX1717除电池外还需要一个外部 + 5V偏置电源，通常为笔记本电脑效率达95%的 + 5V系统电源。将偏置电源置于IC外部可提高效率并降低成本。若需要独立工作能力，可使用外部线性稳压器生成 + 5V电源。

3.2 自由运行、恒定导通时间PWM控制器与输入前馈

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，带有电压前馈。它依赖输出滤波电容的ESR作为电流传感电阻，输出纹波电压提供PWM斜坡信号。高侧开关导通时间由一个单稳态触发器决定，其与输入电压成反比，与输出电压成正比。

3.3 导通时间单稳态触发器（TON）

PWM核心的关键是设置高侧开关导通时间的单稳态触发器。它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。导通时间计算公式为[On - Time =K(V VOUT +0.075 V) / V_{IN }]，K值由TON引脚连接设置。

3.4 积分放大器

三个积分放大器可对输出调节点进行微调。一个放大器积分GNDS和GND之间的差值，第二个积分FBS和FB之间的差值，第三个积分REF和DAC输出之间的差值。积分块可降低输出电压2%，提高6%，能校正约90%的总误差。

3.5 自动脉冲跳频切换

在跳频模式（SKP/SDN高）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侧开关导通时间实现切换，切换阈值与电感电流的连续和不连续运行边界一致。

3.6 强制PWM模式（SKP/SDN开路）

低噪声强制PWM模式可禁用控制低侧开关导通时间的过零比较器，使电感电流在轻载时反向，保持开关频率相对恒定，但无载电池电流会增加。

3.7 电流限制电路

采用独特的“谷值”电流传感算法，使用低侧MOSFET的导通电阻作为电流传感元件。电流限制阈值可通过外部电阻分压器在50mV至300mV范围内调整，默认值为100mV。

3.8 MOSFET栅极驱动器（DH，DL）

DH和DL驱动器针对驱动中等大小的高侧和较大的低侧功率MOSFET进行了优化。自适应死区时间电路可防止高侧FET在DL完全关断前导通，DH关断时的死区时间由固定35ns（典型值）的内部延迟决定。

3.9 POR、关机和UVLO

上电复位（POR）在VCC升至约2V以上时发生，复位故障锁存器并准备PWM运行。VCC欠压锁定（UVLO）电路会抑制开关操作。关机时，SKP/SDN变低，MAX1717进入低功耗关机模式。当VCC电压下降触发UVLO比较器时，DL会被强制拉高。

3.10 DAC输入D0–D4和A/B内部多路复用器

DAC用于编程输出电压，通常接收来自CPU引脚的预设数字代码。A/B内部多路复用器可选择两个编程DAC代码和输出电压之一，通过A/B引脚控制A模式和B模式。

3.11 输出电压过渡时序

MAX1717可控制输出电压过渡，自动最小化输入浪涌电流。过渡在25mV步长下进行，总时间取决于RTIME、电压差和压摆率时钟精度。过渡时间计算公式为[leq 4 mu S+left[frac{1}{f{S L E W}}left(1+frac{V{O L D}-V_{N E W}}{25 mV}right)right]]。

3.12 输出过压和欠压保护

过压保护（OVP）电路可防止高侧MOSFET短路，当输出电压超过2.25V时触发，DL低侧栅极驱动器输出被锁存为高。输出欠压关机（UVP）功能类似于折返电流限制，当输出电压低于标称值的70%时，PWM被锁存关闭。

四、设计要点

4.1 设计流程

• 确定输入电压范围和最大负载电流，选择合适的开关频率和电感工作点。
• 考虑输入电压范围、最大负载电流、开关频率和电感工作点等因素，进行电路设计。

4.2 元件选择

• 电感选择：根据开关频率和工作点计算电感值，选择低损耗、直流电阻小且不饱和的电感。计算公式为[L=frac{V{OUT }left(V{N}-V{OUT }right)}{V{IN } × f{SW} × LIR × I{LOAD(MAX)}}]。
• 设置电流限制：确保最小电流限制阈值能支持最大负载电流，可通过连接ILIM到VCC设置默认100mV阈值，或使用外部电阻分压器进行调整。
• 输出电容选择：输出滤波电容需满足低ESR和高ESR要求，以满足输出纹波、负载瞬态和稳定性要求。电容选择通常基于ESR和电压额定值。
• 输入电容选择：输入电容需满足纹波电流要求，优先选择非钽电容，确保在RMS输入电流下温度上升小于 + 10°C。
• 功率MOSFET选择：高侧MOSFET应在最佳电池电压下使传导损耗等于开关损耗，低侧MOSFET应具有低RDS(ON)，合理封装和价格。

4.3 电压定位和有效效率

电压定位可减少输出电容数量，通过在GNDS上添加固定偏移和串联输出电阻实现。有效效率定义为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。

4.4 降压性能

输出电压调节范围受最小关断时间限制，为获得最佳降压性能，可使用较慢的导通时间设置。绝对降压点为电感电流在最小关断时间内下降量等于导通时间内上升量时。

4.5 调整VOUT

可使用电阻分压器调整输出电压，但可能导致开关频率变化。若输出电压高于2V，可在电池感应输入（V +）上添加电阻分压器进行补偿。

4.6 单级与两级应用

单级应用可提供更小的总电感尺寸和更好的瞬态响应，效率更高；两级应用可灵活放置，降低局部功耗。

4.7 陶瓷输出电容应用

陶瓷电容具有超低ESR和小尺寸等优点，但也存在稳定性和输出过冲问题。MAX1717可在电压定位电路中充分利用陶瓷电容的优势。

4.8 PCB布局指南

PCB布局对实现低开关损耗和稳定运行至关重要。应保持高电流路径短，模拟接地采用单独的实心铜平面，缩短功率走线和负载连接，使用Kelvin检测连接确保电流限制精度，合理布置FB连接，避免高速开关节点靠近敏感模拟区域。

五、总结

MAX1717作为一款高性能的笔记本CPU动态可调同步降压控制器，具有丰富的特性和灵活的设计选项。工程师在使用时需充分了解其工作原理和设计要点，根据具体应用场景进行合理的电路设计和元件选择，同时注重PCB布局，以确保电路的性能和稳定性。希望本文能为工程师们在MAX1717的设计应用中提供有价值的参考。你在实际设计中是否遇到过类似控制器的应用挑战呢？欢迎分享交流。