MAX17021评估套件：高性能笔记本CPU电源解决方案

在当今的电子设备设计中，笔记本电脑的CPU电源管理至关重要。MAX17021评估套件为我们提供了一个强大的解决方案，用于演示高功率、动态可调的多相IMVP - 6.5 +笔记本CPU应用电路。下面将深入介绍这个评估套件的特点、组件、操作步骤以及相关实验。

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一、概述

MAX17021评估套件（EV套件）能够将高压电池和/或交流适配器的电压降压，为笔记本CPU核心VCC轨提供精确的低电压。它满足英特尔移动IMVP - 6 + CPU的瞬态电压规范、电源良好信号、电压调节器热监测（VRHOT）和电源良好输出（PWRGD）等要求。

二、套件特点

1. 电气性能

• 双相、快速响应交错式Quick - PWM：这种设计使得电路响应速度快，能有效提高电源效率。
• 符合英特尔IMVP - 6 +代码集：确保与英特尔移动CPU的兼容性，适用于Montevina插槽配置。
• 动态相位选择：可优化CPU在活动和睡眠状态下的整体效率。
• 瞬态相位重叠：减少输出电容需求，降低成本和电路板空间。
• 有源电压定位：具有可调增益，能降低功耗和对大容量输出电容的要求。
• 高速、高精度和高效率：在300kHz开关频率（每相）下工作，具备出色的线路和负载瞬态响应。

2. 电压与电流范围

• 宽输入电压范围：支持7V至24V的电池输入。
• 可调输出电压范围：通过7位DAC可实现0至1.5000V的数字可调输出电压。
• 高负载电流能力：每相设计的热设计电流为20A，峰值输出电流可达30A，总峰值电流为60A。

3. 保护与指示功能

• 多种保护功能：包括锁存输出欠压故障保护、过压故障保护和热过载保护。
• 输出指示：具备电源良好（PWRGD）、相位良好（PHASEGD）、时钟使能（CLKEN）和热故障（VRHOT）输出及指示灯，方便用户监测电路状态。

4. 封装与合规性

• 40引脚薄型QFN封装：带有外露焊盘，有助于散热。
• 环保合规：无铅且符合RoHS标准。

三、组件列表

评估套件包含了多种电容、电感、MOSFET、电阻、二极管、开关和集成电路等组件。以下是部分关键组件的介绍：

1. 电容

• C1 - C4：10μF ±20%，25V X5R陶瓷电容，用于电源滤波。
• C5 - C8：330μF，2V，4.5mΩ低ESR聚合物电容，提供稳定的电源输出。

  2. 电感

• L1, L2：0.36μH，36A，0.82mΩ功率电感，用于能量存储和转换。

  3. MOSFET

• N1, N2：n沟道MOSFET（PowerPAK 8 SO），负责开关操作。

  4. 集成电路

• U1：双相Quick - PWM VID控制器（40 TQFN - EP），即MAX17021GTL +，是整个电路的核心控制芯片。

四、快速启动

1. 推荐设备

• MAX17021 EV套件
• 7V至24V，功率大于100W的电源、电池或笔记本交流适配器
• 5V，1A的直流偏置电源
• 能够吸收60A电流的假负载
• 数字万用表（DMMs）
• 100MHz双踪示波器

2. 操作步骤

1. 在通电前，确保电路正确连接到电源和假负载。
2. 确认开关SW2的所有位置都处于关闭状态。通过开关SW1设置DAC代码（D6 - D0），将SW1（1, 14）、SW1（2, 13）、SW1（4, 11）、SW1（5, 10）和SW1（7, 8）设置为开启位置，此时输出电压设置为1.050V。
3. 先开启电池电源，再开启5V偏置电源。
4. 使用DMM和/或示波器观察1.050V的输出电压，并在改变负载电流时观察LX开关节点和MOSFET栅极驱动信号。

五、硬件详细描述

1. 多相降压调节器设计

该60A峰值多相降压调节器设计针对300kHz开关频率（每相）和1V左右的输出电压设置进行了优化。在VOUT = 1V和VIN = 12V时，电感纹波约为35%（LIR = 0.35）。MAX17021控制器使所有有效相位交错，实现异相操作，从而最小化输入和输出滤波要求。多相控制器在两个相位之间共享电流，每个相位可提供高达30A的电流。

2. 输出电压设置

MAX17021具有内部数模转换器（DAC），可通过D0 - D6引脚将输出电压从0至1.5000V进行数字设置。有两种设置输出电压的方法：

• 外部VID0 - VID6输入：当所有SW1位置关闭时，通过开漏驱动器（板上包含上拉电阻）或3V/5V CMOS输出逻辑电平驱动VID0 - VID6来设置输出电压。
• 开关SW1：当SW1位置关闭时，MAX17021的D0 - D6输入为逻辑1（连接到VDD）；当SW1位置开启时，D0 - D6输入为逻辑0（连接到GND）。在操作过程中，可以通过开启和关闭SW1来改变输出电压。

3. 降低功耗的电压定位

MAX17021包含一个跨导放大器，用于为电压定位感测路径添加增益。放大器的输入由电流感测输入求和生成，该输入差分感测电感DCR两端的电压。跨导放大器的输出连接到电压定位反馈输入（FBAC），因此FBAC和VOUT之间的电阻（R17）决定了电压定位增益。当所有相位都有效时，电阻R17（4.32kΩ）在输出端提供 - 2.1mV/A的电压定位斜率。远程输出和接地感测消除了任何额外的PCB电压降。

4. 动态输出电压过渡实验

MAX17021 EV套件设置为以12.6mV/μs的速度过渡输出电压。过渡速度可以通过缩放电阻R2和R3来改变。在电压过渡期间，可以使用差分示波器探头观察电流感测输入来查看电感电流。关机和启动期间的斜率控制可确保电池（输入源）的进出电流得到良好控制。

5. 负载瞬态实验

对输出施加大型、快速的负载瞬态，并使用示波器观察输出是一个有趣的实验。为了准确测量输出纹波和负载瞬态响应，应避免使用接地夹线，并将探头的接地屏蔽暴露出来，以便用尽可能短的导线将探头直接接地到电路板。大多数用于电源测试的台式电子负载无法对DC - DC转换器施加超快速负载瞬态。模拟IMVP - 6.5 + VCORE引脚处的电源电流（di/dt）至少需要500A/μs的负载瞬态。一种简单的方法是在N7位置安装一个功率MOSFET，并在5mΩ至10mΩ之间安装电阻R20来监测瞬态电流，然后使用低占空比（< 5%）的强脉冲发生器驱动其栅极（TP1），以最小化MOSFET的热应力。通过改变脉冲发生器的高电平输出电压来改变负载电流。

六、开关SW2设置

1. 关机设置（SW2 (1, 10)）

当SHDN引脚连接到GND（SW2 (1, 10)开启）时，MAX17021进入低功耗关机模式。PWRGD立即被拉低，输出电压以R2和R3（71.1kΩ）设置的斜率的1/8下降。当控制器达到0V目标时，驱动器被禁用（DL1和DL2被拉低），参考电压关闭，IC电源电流降至1μA（最大值）。当故障条件触发关机序列时，保护电路会设置故障锁存器，防止控制器重新启动。要清除故障锁存器并重新激活MAX17021，需要切换SHDN或循环VDD电源。

2. DPRSLPVR和PSI设置（SW2 (2, 9)和SW2 (3, 8)）

DPRSLPVR和PSI共同决定操作模式。在启动和引导模式期间，MAX17021将被强制进入全相脉冲跳过模式；在从引导模式过渡到VID模式以及软关机期间，将被强制进入全相PWM模式。

3. DPRSTP设置（SW2 (5, 6)）

该1V逻辑输入信号与DPRSLPVR信号一起选择标称和“慢速”（标称速率的四分之一）斜率。当DPRSTP和DPRSLPVR都被拉高时，斜率降低到标称斜率的四分之一。

4. PGDIN设置（SW2 (4, 7)）

PGDIN指示其他系统轨的电源状态，用于电源排序。上电到引导电压后，只要PGDIN保持低电平，输出电压将保持在VBOOT，CLKEN保持高电平，PWRGD保持低电平。当PGDIN被拉高时，输出过渡到所选的VID电压，CLKEN被拉低。如果系统在正常操作期间将PGDIN拉低，MAX17021将立即驱动CLKEN高电平，拉低PWRGD，并将输出斜降到引导电压（使用2相脉冲跳过模式）。控制器将保持在引导电压，直到PGDIN再次变高、SHDN被切换或VDD被循环。

MAX17021评估套件为电子工程师提供了一个全面的解决方案，用于设计高性能笔记本CPU电源电路。通过深入了解其特点、组件和操作方法，工程师们可以更好地利用这个套件进行电源管理设计，提高产品的性能和可靠性。你在使用类似的电源管理评估套件时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。