深入解析MAX16602：VR13.HC與AI核心雙輸出電壓調(diào)節(jié)器芯片組

引言

在當今電子設(shè)備飛速發(fā)展的時代，對于高性能、高集成度電壓調(diào)節(jié)器的需求日益增長。MAX16602作為一款專為AI核心或Intel VR13.HC服務(wù)器CPU供電設(shè)計的芯片組，憑借其高功率密度、靈活可擴展等特性，成為眾多工程師的首選。本文將深入剖析MAX16602的各項特性、工作原理及設(shè)計要點，為電子工程師在實際應(yīng)用中提供全面的參考。

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一、MAX16602概述

1.1 產(chǎn)品定位

MAX16602是一款高度集成的控制器IC，與多達八個MAX20778/A、MAX20779/A、MAX20780或MAX20790智能功率級IC配合使用，為AI核心或Intel VR13.HC平臺提供高性能的多相VCORE電源轉(zhuǎn)換解決方案。該芯片組支持PWM并聯(lián)，最多可控制16相，適用于高電流多相電壓調(diào)節(jié)器、服務(wù)器、工作站、企業(yè)存儲以及通信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等多種應(yīng)用場景。

1.2 關(guān)鍵特性

• 高功率密度與效率：支持多種智能功率級IC，如MAX20778/A、MAX20779/A/B/C等，在1.8V輸出時峰值效率可達95.6%，并集成輸入功率監(jiān)測功能。
• 通過PMBus進行遙測：具備數(shù)字可編程配置，可實現(xiàn)輸入電壓、電流、功率監(jiān)測以及功率級溫度監(jiān)測與報告。
• 先進的電源管理：采用自主相位 shedding技術(shù)，能在整個負載范圍內(nèi)保持高效率；具備正交電流重新平衡功能，確保瞬態(tài)期間相電流平衡；低靜態(tài)電流有助于提高輕載和待機效率。
• 保護特性：提供輸入和偏置電源欠壓保護、過流保護以及關(guān)鍵故障標志輸出引腳，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

二、電氣特性

2.1 電源電壓與電流

• 偏置電源電壓范圍：VAVDD1P8和VDVDD1P8為1.7 - 1.9V，VDD3P3為3.0 - 3.6V。
• 偏置電源電流：1.8V偏置電源電流（IAVDD1P8 + IDVDD1P8）在系統(tǒng)運行時為52mA，VDD3P3偏置電源電流（IVDD3P3）在1.8V開關(guān)關(guān)閉（VX = 3.3V）時為500μA。

2.2 輸出電壓范圍與精度

• 輸出電壓范圍：在5mV模式下，CORE和VSA為0.25 - 1.52V；在10mV模式下，僅CORE為0.5 - 2.3V。
• DC設(shè)定點公差：在不同溫度和電壓范圍內(nèi)，輸出電壓的公差在 -0.5% 至 +0.5% 之間，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。

2.3 其他電氣參數(shù)

還包括開關(guān)頻率、VID轉(zhuǎn)換斜率、過壓和欠壓保護、過流保護等一系列電氣參數(shù)，這些參數(shù)共同保證了芯片組在不同工作條件下的性能。例如，CORE開關(guān)頻率范圍為300 - 857kHz，VSA開關(guān)頻率分為低開關(guān)頻率（599 - 735kHz）和高開關(guān)頻率（720 - 880kHz）。

三、工作原理

3.1 VCORE控制架構(gòu)

MAX16602的VCORE控制架構(gòu)包含多個放大器級和調(diào)制器電路，通過無損電流傳感技術(shù)，利用智能功率級IC的電流反饋信號來控制每個相。具體來說，首先通過差分放大器（A1）計算參考電壓與差分遠程感測電壓之間的誤差，然后將該誤差通過適當?shù)?a target="_blank">電阻縮放后輸入到誤差放大器（A3）。相電阻用于將所有功率級的ISENSE電流反饋信號求和到誤差放大器的反相輸入端，從而實現(xiàn)對負載電流的精確控制。

3.2 無損電流傳感與負載線控制

該芯片組采用無損電流傳感技術(shù)，通過智能功率級IC將與功率器件電流成比例的電流信號反饋給控制器。這種方法優(yōu)于使用電感直流電阻的方法，無需溫度補償和濾波即可獲得準確的電流信號，從而實現(xiàn)對輸出負載線的精確控制，即使在低電流情況下也能保證精度。負載線通過數(shù)字編程電壓控制環(huán)誤差放大器（A2）的直流增益來設(shè)置。

3.3 集成1.8V調(diào)節(jié)器

MAX16602集成了一個1.8V開關(guān)調(diào)節(jié)器，為控制器和智能功率級設(shè)備提供偏置電流。該調(diào)節(jié)器采用DCM模式和恒定導(dǎo)通時間控制，并具有輸入和輸出前饋功能，能夠在高負載和低負載電流下實現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。當VDD1P8低于1.8V參考電壓時，高側(cè)FET開啟，電流從輸入通過電感流向輸出濾波電容和負載；當固定導(dǎo)通時間結(jié)束后，高側(cè)FET關(guān)閉，低側(cè)FET短暫開啟，將電感電流降至零。

3.4 輸入功率傳感器

芯片組集成了輸入功率傳感器，通過低電阻外部電流傳感電阻或電流監(jiān)測信號來測量輸入電流和電壓。輸入功率遙測可以通過PMBus或SVID讀取，簡化了VR13.HC解決方案的實現(xiàn)。

四、系統(tǒng)啟動與操作模式

4.1 系統(tǒng)啟動

當AVDD1P8、DVDD1P8和VDD3P3上升到各自的欠壓鎖定閾值以上時，MAX16602開始初始化，檢查編程和配置電阻的有效性，并檢查CORE_SENSE_P和VSA_SENSE_P引腳是否開路。當VIN和SNS_PS_BIAS高于各自的欠壓鎖定閾值且OEN信號為高時，系統(tǒng)開始響應(yīng)硬件使能信號，進行相位檢測序列，完成功率級檢測后開始輸出斜坡。

4.2 操作模式

• 連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）：根據(jù)功率管理設(shè)置和CPU發(fā)出的SVID命令，控制器可以在CCM模式下運行，具有可編程數(shù)量的有效相。
• 單相不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）：當DCM模式啟用時，開關(guān)頻率與負載電流成正比。DCM偏移電壓可以通過PMBus進行選擇，較低的偏移電壓會導(dǎo)致較低的輸出電壓紋波，但開關(guān)頻率會較高。

4.3 VID和斜坡率

MAX16602符合VR13.HC規(guī)范的VID值和斜坡率要求，提供所有必需的SVID命令，包括衰減模式。慢斜坡率和快斜坡率在電氣特性表中有明確規(guī)定。

4.4 功率狀態(tài)

該芯片組支持PS0、PS1、PS2和PS3命令，適用于CORE和VSA。

4.5 自主相位Shedding（APS）

APS功能允許根據(jù)負載電流自動控制有效相的數(shù)量，以最大化調(diào)節(jié)器的效率。APS使用兩組閾值：APS_Slow閾值用于相位減少決策，APS_Fast閾值用于相位增加決策。當負載電流增加超過APS_Fast閾值時，所有相迅速啟用；當數(shù)字化輸出電流在至少200μs內(nèi)保持低于APS_Slow閾值時，控制器開始減少相。

五、保護與監(jiān)測功能

5.1 啟動時的故障檢測

MAX16602在退出VDD1P8欠壓鎖定和OEN信號上升后會進行各種故障檢測，包括ISENSE引腳短路到功率級AVDD、ADDR和PROG電阻值的有效性、正感測線開路、TSENSE未連接、功率級相控制輸出故障以及功率級故障等。如果檢測到任何故障，系統(tǒng)將標記錯誤并停止啟動。

5.2 VCORE功率良好信號（PWRGD_CORE）

PWRGD_CORE是一個高電平有效、開漏輸出信號，用于指示VCORE已穩(wěn)定在啟動電壓或最后指定的SVID命令。在啟動VID過渡結(jié)束后的固定延遲后，PWRGD_CORE變?yōu)楦唠娖?。在VID過渡期間，PWRGD_CORE不會被取消斷言，但如果輸出電壓低于標稱電壓的容差帶閾值或檢測到任何鎖存故障，則會被取消斷言。

5.3 過流保護（OCP）

OCP默認級別由PROG選擇的場景加載，過流閾值可以通過PMBus寄存器0xD3[3:0]進行覆蓋。系統(tǒng)過流條件通過比較內(nèi)部RDES電阻上的電壓與所選OCP閾值對應(yīng)的電壓來檢測。OCP有“CCM”和“Hiccup”兩種模式可供選擇。在Hiccup OCP模式下，當OCP閾值被超過時，系統(tǒng)在關(guān)閉前提供5ms的編程OCP電流，然后等待45ms后重新啟動；在CCM OCP模式下，系統(tǒng)持續(xù)提供編程OCP電流，直到負載電流降至OCP值以下。

5.4 過壓保護

芯片組包含兩個獨立的過壓保護電路，一個比較輸出電壓與編程標稱輸出之間的差值與輸出OVP閾值，另一個比較輸出電壓與傘形OVP閾值。如果任何一個電路觸發(fā)，將注冊O(shè)VP故障，OVP信號被斷言，PWRGD_CORE和PWRGD_VSA被取消斷言，調(diào)節(jié)停止。OVP故障只能通過切換1.8V或3.3V電源軌來清除。

5.5 欠壓鎖定（UVLO）

設(shè)備在1.8V、3.3V和VIN上包含欠壓鎖定電路。如果檢測到任何電源的UVLO事件，系統(tǒng)將停止調(diào)節(jié)。當相應(yīng)的電源電壓上升到欠壓閾值以上時，IC會重新加載默認設(shè)置或最后用戶場景，并在OEN仍為高電平時重新啟動。

5.6 功率級溫度警告（VR_HOT）

VR_HOT是一個開漏、低電平有效輸出信號，當任何功率級的溫度達到場景中編程的閾值（固定為 +105°C）時，該信號被斷言。VR_HOT作為對CPU的警告，系統(tǒng)繼續(xù)正常調(diào)節(jié)。

5.7 故障指示輸出（FAULT）

FAULT是一個開漏、低電平有效輸出信號，當檢測到重大故障時被斷言。在初始化期間，如果發(fā)現(xiàn)電阻或節(jié)點超出范圍或開路，F(xiàn)AULT會被斷言；在系統(tǒng)調(diào)節(jié)期間，智能功率級故障會被持續(xù)監(jiān)測并通過FAULT信號報告。

六、VSA操作

6.1 VSA控制架構(gòu)

VSA控制架構(gòu)是VCORE控制架構(gòu)的簡化版本，沒有下垂功能。提供16種斜坡率選項和兩種開關(guān)頻率設(shè)置，這些設(shè)置由PROG場景預(yù)配置，但可以通過PMBus寄存器進行調(diào)整。

6.2 VSA輸出操作

• 啟動：VSA啟動操作與VCORE部分描述的啟動過程相同。
• 功率狀態(tài)：VSA軌支持PS0、PS2、PS3和衰減功率狀態(tài)。
• DCM操作：VSA電路包含一個可編程控制環(huán)偏移，其功能與VCORE相同。該偏移由PROG場景預(yù)配置，但可以通過PMBus寄存器0xB3[6]進行調(diào)整。
• 保護與監(jiān)測：VSA輸出具有獨立的功率良好信號，其操作方式與VCORE相同。VSA過流保護采用峰值電流逐周期鉗位，通過比較RPH_VSA上的電壓與參考閾值來激活。VSA過壓保護與VCORE類似，包含兩個OVP電路。

七、設(shè)計要點

7.1 確定最佳相數(shù)

根據(jù)CPU的選擇確定ICCMAX的值，OCP通常設(shè)置為比ICCMAX高20%。根據(jù)負載電流要求和可用面積，結(jié)合智能功率級數(shù)據(jù)手冊中的效率曲線和電流額定值，確定所需的相數(shù)。

7.2 相配置順序

在配置MAX16602時，對于給定的相數(shù)，需要正確選擇特定的相位置進行填充，同時將其他相停用。停用相通過將其相控制（PWM）引腳與地之間連接一個1kΩ電阻來實現(xiàn)，未使用相的TSENSE和ISENSE引腳必須保持未連接。

7.3 輸出電容計算

輸出電容（COUT）的值可以根據(jù)卸載瞬態(tài)期間的最大允許過沖（VOV_MAX）或電壓調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)的最大帶寬來確定。通過相應(yīng)的公式計算出最小COUT值，并選擇略高的值以提供良好的設(shè)計余量。

7.4 配置電阻值選擇

系統(tǒng)操作參數(shù)通過配置電阻進行設(shè)置，ADDR選擇SVID和PMBus地址，PROG選擇預(yù)配置場景。正確的電阻值和每個電阻編程的參數(shù)在表5中列出，配置參數(shù)可以在OEN為低電平時通過PMBus進行編程，這些設(shè)置在后續(xù)OEN切換時不會重置。

7.5 數(shù)字參數(shù)設(shè)計

MAX16602集成了所有控制環(huán)組件，以下參數(shù)現(xiàn)在可以通過數(shù)字方式選擇：

• VCORE調(diào)節(jié)器：包括開關(guān)頻率、負載線、系統(tǒng)OCP、APS快速和慢速閾值、調(diào)制器斜坡率、AMS斜坡率、電流環(huán)零、電壓環(huán)零、RP和ROCR等。
• VSA調(diào)節(jié)器：包括開關(guān)頻率、調(diào)制器斜坡率、控制環(huán)零和RP等。

這些參數(shù)由PROG場景預(yù)配置，但可以通過PMBus接口進行調(diào)整。

八、PMBus接口

8.1 接口概述

MAX16602控制器IC包含一個串行總線（PMBus），支持高級調(diào)節(jié)器監(jiān)測和控制功能。該接口支持SMBus 3.1規(guī)范的一個子集，包括靜態(tài)SMBus地址編程、高功率SMBus直流規(guī)范、多種SMBus協(xié)議以及數(shù)據(jù)包錯誤檢查機制等。

8.2 監(jiān)測功能

通過PMBus接口可以獲取系統(tǒng)級和VCORE、VSA調(diào)節(jié)器的各種監(jiān)測信息，包括系統(tǒng)故障日志、SVID日志、配置電阻編程參數(shù)、過溫閾值、制造商模塊ID、輸入電壓、輸出電流、輸出電壓、功率級溫度等。

8.3 存儲用戶配置

用戶配置可以編程到非易失性存儲器（NVM）中，MTP可編程NVM允許進行8次現(xiàn)場修改。編程NVM時，需要按照特定步驟進行操作，確保配置正確保存。

8.4 加載保存的配置

可以使用Maxim GUI或其他等效方法將配置保存到文本文件中，對配置文本文件進行編輯后，再加載到同一IC或不同IC中。加載的配置在執(zhí)行STORE_USER_ALL命令之前不會永久保存到NVM中。

8.5 控制功能

通過PMBus接口可以覆蓋一些控制功能，包括PROG和ADDR配置電阻編程的參數(shù)（除SVID地址和PMBus LSB地址外）、VCORE和VSA調(diào)節(jié)器的輸出電壓、過壓輸出電壓、OEN信號、設(shè)定點設(shè)置、VR_HOT閾值和最大輸出電壓等。

九、總結(jié)

MAX16602作為一款高性能的VR13.HC和AI核心雙輸出電壓調(diào)節(jié)器芯片組，憑借其豐富的特性、先進的控制架構(gòu)和完善的保護監(jiān)測功能，為電子工程師在設(shè)計高電流多相電壓調(diào)節(jié)器、服務(wù)器、工作站等應(yīng)用時提供了強大的支持。在實際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計要求，合理選擇相數(shù)、配置電阻值和數(shù)字參數(shù)，充分發(fā)揮MAX16602的優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換。同時，通過PMBus接口可以方便地進行監(jiān)測和控制，提高系統(tǒng)的可維護性和可靠性。

你在使用MAX16602的過程中遇到過哪些問題？或者你對其未來的發(fā)展有什么期望？歡迎在評論區(qū)分享你的看法。