MPM3695系列：支持灵活配置输出电压的高功率模块解决方案

Niliana Carrero

每月为您发送最具参考价值的行业文章

我们会保障您的隐私

摘要

为现代应用提供电源，需要高电流输出、精确的瞬态控制以及灵活的电压配置。尤其是FPGA，其电源规格通常对输出电压 (V_OUT)精度有严格的要求，无论温度变化还是器件老化，V_OUT 的绝对精度都需保持在 ±1.5% 左右。部分厂商对负载调整率的要求更加苛刻。

配置 V_OUT 最常用的方法是使用外部或内部电阻分压器。这种方法不仅能满足高精度要求，还具有配置上的灵活性。

MPM3695系列（MPM3695-10、MPM3695-20、MPM3695-25 和 MPM3695-100）可提供高达 800A 的电流，具备超快瞬态响应和出色的电压容差。设计人员可根据应用需求选择使用外部或内部分压器，以实现高度灵活性。内部电阻分压器具有紧凑、集成、易于使用的优势，适合空间受限但性能要求高的设计；外部分压器则提供更高的灵活性、可定制性以及更优的热管理能力。

引言

近年来，科技高速发展对电源的输出电流 (I_OUT) 能力提出了更高的要求。然而，在紧凑封装中以高效率提供大电流输出，对于现代设计而言仍是一项挑战。

MPM3695 系列提供了全集成的电源模块解决方案，它配备 PMBus 接口并支持并联连接，可实现高达 800A 的出色输出能力（见表1）。凭借 MPS 独有的多相恒定导通时间（MCOT）控制技术，MPM3695 系列可以提供超快速瞬态响应，同时简化环路补偿设计。

表1: MPM3695 系列

产品型号	MPM3695-10	MPM3695-20	MPM3695-25	MPM3695-100
I_OUT(每相最大值)(A)	10	25	20	100
从相(最大值)	5	5	5	7
总I_OUT(A)	60	150	120	800
封装	LGA-45 (8mmx8mmx2mm)	ECLGA-29 (5mmx6mmx4.4mm)	QFN-59 (10mmx12mmx4mm)	BGA (15mmx30mmx5.18mm)

该系列器件通过PMBus接口实现模块的轻松配置和关键参数的监控，同时提供全面保护功能以确保系统的可靠运行。V_OUT裕量、故障阈值以及相对于 V_OUT的电源正常（PG）阈值都可以被轻松调整。这种灵活性实现了V_OUT变化中的动态调节，无需手动更新，从而可加快设计进程。

输出电压设置

MPM3695系列提供两种V_OUT调节方式：使用内部电阻分压器，或者外部电阻分压器。

图 1 展示了采用内部电阻分压器的典型应用电路。

图 1：采用内部电阻分压器的典型应用电路（单模块运行）

图 2 展示了采用外部电阻分压器的典型应用电路。

图 2：使用外部电阻分压器的典型应用电路（单模块操作）

根据具体设计，对于空间受限且有定制化需求的应用，同时采用内部和外部分压器更为有利。外部分压器还能改善热管理，因为功耗可以分布在整个 PCB 上。但外部分压器存在一个明显的缺点：其阻值公差可能影响 V_OUT 精度。此外，电阻分压器具有温度系数，这意味着其阻值会随温度变化而波动。这种变化可能导致反馈电压 (V_FB)产生轻微偏差，从而最终影响 V_OUT。

MPM3695 系列支持通过 PMBus 协议配置 V_OUT。表 2 显示了可用于修改 V_OUT的命令。裕量电压（margin voltage）命令用于验证应用的稳健性，确保器件符合应用规格，并能够在电源电压随时间和温度变化时承受小幅波动。

一旦确定了所选电压值，它会与 VOUT_MAX 和 VOUT_MIN 命令设定的 V_OUT 上下限进行比较，从而保证 V_OUT 保持在安全范围内。最后，应用一个缩放系数来匹配参考电压。

表2: PMBus输出电压命令

命令	代码	描述
VOUT_COMMAND	0x21	设置设备正常运行期间的目标 V_OUT。
VOUT_MARGIN_HIGH	0x25	设置上限电压，以便在裕量测试（临时裕量测试和性能验证）期间调整 V_OUT。
VOUT_MARGIN_LOW	0x26	设置下限电压，以便在裕量测试（临时裕量测试和性能验证）期间调整 V_OUT。
VOUT_MAX	0x24	设置最大允许 V_OUT。这是一个永久性上限电压，如果超过此值将触发故障，可能导致负载或电源本身损坏。
VOUT_MIN	0x2B	设置最小允许 V_OUT。这是一个永久性下限电压，如果超过此值将触发故障，可能导致负载或电源本身损坏。
VOUT_SCALE_LOOP	0x29	调节反馈 (FB) 回路增益，这对于稳定电源或实现目标电压调节性能至关重要。
OPERATION	0x01	控制电源的开关状态以及 V_OUT命令的基本来源（VOUT_COMMAND、VOUT_MARGIN_HIGH 或 VOUT_MARGIN_LOW）。

以 MPM3695-10 为例，V_OUT 命令流程包括使用 OPERATION 命令选择三个输入之一作为标称电压的来源（VOUT_COMMAND、VOUT_MARGIN_HIGH 或 VOUT_MARGIN_LOW）（见图 3）。

图 3：MPM3695-10 PMBus 输出电压命令处理流程

内部电阻分压器

V_OUT通过 VOSNS+ 和 VOSNS- 引脚进行采样，由内部电阻分压器将 V_OUT 降低到与参考电压 (V_REF)相匹配。图 4 展示了如何配置内部电阻分压器。

图 4：内部电阻分压器设定的 V_OUT

表 3 显示了使用内部电阻分压器时，通过设置VOUT_SCALE_LOOP（29h）和 MFR_CTRL_VOUT（D1h）得到的 V_OUT 范围。使用内部电阻分压器时，必须完全断开外部反馈（FB）电阻，并根据实际应用选择合适的电压范围。

较高的反馈增益通常能加快对负载瞬态的响应速度。然而，过高的增益会导致不稳定或过冲，较低的增益则会延长稳定时间并减少过冲。

表 3：带内部电阻分压器的 MPM3695 系列 V_OUT 范围

外部电阻分压器

使用外部分压器时，器件的 V_OUT 通过两个串联电阻（R1 和 R2）形成的分压器进行缩放。V_FB 通过 VOSNS+ 和 VOSNS- 引脚进行采样。图 5 展示了外部分压器的典型配置。

图 5：通过外部电阻分压器设置 V_OUT

FB 电阻（R₂ 和 R₁）的取值可通过公式 (1) 计算：

\[ R_2(k\Omega) = \frac{V_{\mathrm{REF}}}{V_{\mathrm{OUT}} - V_{\mathrm{REF}}} \times R_1(k\Omega) \]

其中 V_REF为参考电压，默认值为 0.6V，可调范围为 0.5V 至 0.672V；V_OUT 为目标输出电压。

建议使用 1% 精度且温度系数低的电阻作为 FB 分压器。V_OUT的 FB 增益可通过公式 (2) 估算：

\[ G_{\mathrm{FB}} = \mathrm{VOUT\_SCALE\_LOOP} = \frac{R_2}{R_1 + R_2} \]

对于给定的 FB 电阻网络，V_OUT 的上限 (V_{OUT_MAX}) 和下限 (V_{OUT_MIN})可分别通过公式 (3) 和公式 (4) 计算：

\[ V_{\mathrm{OUT\_MAX}} = \frac{0.672}{G_{\mathrm{FB}}} \]
\[ V_{\mathrm{OUT\_MIN}} = \frac{0.5}{G_{\mathrm{FB}}} \]

为优化负载瞬态响应，必须在 R₁ 上并联一个前馈电容（C_FF）（见图 5）。表 4 显示了使用外部分压器时，通过设置 VOUT_SCALE_LOOP（29h）和 MFR_CTRL_VOUT（D1h）得到的

表 4：MPM3695 系列带外部电阻分压器的 V_OUT 范围

表 5 列出了常见输出电压下 FB 电阻和前馈电容的值。

表5：常见输出电压

V_OUT (V)	R₁ (kΩ)	R₂(kΩ)	C_FF (nF)	VOUT_SCALE_LOOP (29h)
0.9	0.5	1	33	0.66
1.2	1	1	33	0.50
1.8	2	1	33	0.33
3.3	4.53	1	4.7	0.18
5	7.32	1	4.7	0.12

实用设计示例

外部分压器

下面提供了采用 MPM3695-25 并通过外部电阻分压器设置 V_OUT 的实际示例。表 6 列出了此示例中使用的所有参数。

表6:设计示例参数

输入电压 (V_IN)	12V
输出电压 (V_OUT)	1.8V
最大输出电流 (I_{O_MAX})	10A
开关频率 (f_SW)	800kHz

选择 R₁ = 2kΩ 和 V_REF = 0.6V，并使用公式 (5) 估算 R₂：

\[ R_2(k\Omega) = \frac{0.6}{1.8 - 0.6} \times 2 = 1k\Omega \]

使用公式 (6) 计算电阻分压器增益：

\[ G_{\mathrm{FB}} = \mathrm{VOUT\_SCALE\_LOOP} = \frac{1}{1 + 2} = 0.33 \]

V_{OUT_MAX} 和 V_{OUT_MIN} 可分别使用公式 (7) 和公式 (8) 估算：

\[ V_{\mathrm{OUT\_MAX}} = \frac{0.672}{0.22} = 2.016\,V \]
\[ V_{\mathrm{OUT\_MIN}} = \frac{0.5}{0.33} = 1.5\,V \]

使用上述电阻分压器时，若不遵守这些限制，将导致 V_OUT 精度降低。

表 7 显示了本例中用于标称 V_OUT 命令（VOUT_COMMAND）和外部电阻分压器增益（VOUT_SCALE_LOOP）的配置值。同时也包含裕量 V_OUT 限制命令（VOUT_MARGIN_HIGH 和 VOUT_MARGIN_LOW）以及保护性 V_OUT 限制命令（VOUT_MAX 和 VOUT_MIN）的数值。

表 7：PMBus V_OUT 命令值示例

命令	代码	十六进制值	十进制值
VOUT_COMMAND	0x21	0x384	1.8V
VOUT_SCALE_LOOP	0x29	0x14A	0.33
VOUT_MARGIN_HIGH	0x25	0x3E8	2V
VOUT_MARGIN_LOW	0x26	0x320	1.6V
VOUT_MIN	0x2B	0x1F4	1V
VOUT_MAX	0x24	0x4E2	2.5V
MRF_CTRL_VOUT	0xD1	0x00	0

实际输出电压 (V_{OUT_REAL}) 可通过公式 (9) 计算：

\[ V_{\mathrm{OUT\_REAL}} = \left(1 + \frac{R_1}{R_2}\right) \times \mathrm{VOUT\_COMMAND} \times \mathrm{VOUT\_SCALE\_LOOP} \]

当满足下列条件时，V_{OUT_REAL} = VOUT_COMMAND，可通过公式（10）估算：

\[ \left(1 + \frac{R_1}{R_2}\right) \times \mathrm{VOUT\_SCALE\_LOOP} = 1 \]

在本例中，VOUT_SCALE_LOOP 与电阻分压器的实际增益相匹配，因此 V_{OUT_REAL} 等于通过 VOUT_COMMAND（21h）配置的电压值。

本例采用了 MPM3695-25 的评估板（EVM3695-25-RF-02A），并在单相配置下进行测试。图 6 展示了搭建的电路。

图6: EVM3695-25-RF-02A原理图

通过MPS 的 Virtual Bench Pro 4.0 GUI图形用户界面（GUI）可以对 MPM3695 系列进行配置。图 7 展示了本例中使用的主要 PMBus V_OUT 命令。

“Parameters”（参数）标签页分为两个区域：上方为基本参数，下方为高级配置。图 7 中的 Box 1 显示了 VOUT_COMMAND（21h）、VOUT_SCALE_LOOP（29h）和 MFR_CTRL_VOUT（D1h）的配置；Box 2 显示了以下 V_OUT 命令：VOUT_MAX（24h）、VOUT_MIN（2Bh）、VOUT_MARGIN_LOW（26h）和 VOUT_MARGIN_HIGH（25h）。每个寄存器的配置值（十六进制格式）可在 Box 3 的 “Register Map” 标签页中查看（见图 7）。

MPM3695 系列电源模块还支持遥测命令，例如 READ_VIN（88h）、READ_VOUT（8Bh）、READ_IOUT（8Ch）和 READ_TEMPERATURE（8Dh）。这些命令分别用于实时监测输入电压 (V_IN)、V_OUT、负载电流以及温度。在图 7 的 Box 4 “Monitoring” 区域中可以看到这些监测值。

图7: MPM3695-25 GUI

VOUT_COMMAND（21h）用于设置标称电压源。图 8 显示了实时监测值（黄色框）是否与应用的目标值匹配。若要将 VOUT_MARGIN_HIGH（25h）设置为标称 V_OUT 源，并以高裕量启动器件，可将 OPERATION（01h）命令的 bits[5:4] 设置为 10b。根据表 6，目标高裕量值设置为 2V。

图 8 还显示了实时监测的 V_OUT（绿色框）是否与通过 VOUT_MARGIN_HIGH（25h）配置的值一致。

图 8：VOUT_MARGIN_HIGH (25h) 配置示例

图 9 显示了 VOUT_MARGIN_LOW（26h）的测量结果是否与本例配置值匹配。

图 9：VOUT_MARGIN_LOW 命令配置示例

内部电阻分压器

参考表 6 的参数，本节介绍如何使用内部电阻分压器配置 V_OUT。

确保 VOSNS+ 和 VOSNS- 引脚直接连接到 V_OUT 采样点（见图 4）。在此场景下，R₃ 设置为0Ω，图 6 中的 R₄ 已移除。

内部与外部分压器切换时，为安全起见，强烈建议通过 EN 引脚禁用器件，否则可能导致器件损坏。

V_OUT范围通过 MFR_CTRL_VOUT (D1h) 的 bits[1:0]（设置为 10b）设置，VOUT_SCALE_LOOP (29h) 设置为 0x00FA（见表 3）。表 8 展示了使用内部电阻分压器将 V_OUT 设置为 1.8V 的 PMBus 命令序列。

表 8：用于配置内部分压器的 PMBus 命令序列

步骤	命令	代码	十六进制值	十进制值
1	MFR_CTRL_VOUT	0xD1	0x02	2
2	VOUT_SCALE_LOOP	0x29	0x14F	335
3	VOUT_COMMAND	0x21	0x384	1.8V
-	VOUT_MARGIN_HIGH	0x25	0x3E8	2V
-	VOUT_MARGIN_LOW	0x26	0x320	1.6V
-	VOUT_MIN	0x2B	0x1F4	1V
-	VOUT_MAX	0x24	0x4E2	2.5V

通过 PMBus 接口动态调整 V_OUT 在更改 I/O 电压时特别有用，例如重新配置新 FPGA（如Achronix Speedster7t方案）的功能。此外，该动态调整功能也可用于在 FPGA 工作过程中调节核心电压，从而最大程度地降低功耗。

图 10 展示了使用内部电阻分压器配置 V_OUT 时的 GUI 界面，其中绿色框显示 VOUT_COMMAND（21h）和 MFR_CTRL_VOUT（D1h）bits[1:0] 的命令值。V_OUT 电流、负载电流及器件温度可在“Monitoring”区域（黄色框）实时监测（见图 10）。

图 10：使用内部分压器配置的 V_OUT

结语

选择内部电阻分压器还是外部电阻分压器来配置 V_OUT 取决于应用的具体需求，包括设计灵活性、空间限制、精度要求以及对环境因素的敏感性。

MPM3695 系列（MPM3695-10、MPM3695-20、MPM3695-25 和 MPM3695-100）可以通过内部或外部电阻分压器灵活配置V_OUT。根据实验结果，两种方法在实时 V_OUT 测量中均能实现高精度。此外，通过设置裕量电压和 PMBus 命令，MPM3695 系列亦适合需要精确 V_OUT 控制的应用。

如需更多电源模块解决方案，可浏览 MPS 丰富的电源模块产品系列。