一、背景
自2022年OpenAI发布ChatGPT以来,生成式人工智能(AI)威廉希尔官方网站 获得了广泛关注,一系列开创性研究成果相继发布,引领了人工智能的新一轮创新浪潮。当前人工智能、数据中心等算力基础设施,都以GPU、NPU/TPU、CPU等算力芯片作为计算核心,它们均基于先进半导体工艺制作,采用多相电源(多相控制器 + 智能功率级Smart Power Stage,简称SPS)为其提供低压大电流的电源管理解决方案。为满足客户当前对多相电源高功率密度、高效率和高可靠性的需求,降低TCO、提高电能转换效率和实现“双碳”目标,茂睿芯推出了90A等级的智能功率级MK6850。
SPS在AI服务器供电架构中的应用
SPS在传统服务器供电架构中的应用
二、茂睿芯90A SPS产品 MK6850
智能功率级是一种高端的DC-DC芯片,是电源管理芯片中威廉希尔官方网站 含量最高的产品之一。MK6850作为一颗智能功率级产品,采用多晶圆封装威廉希尔官方网站 ,内部集成了两颗超低Rdson 的SGT MOSFET和一颗高性能驱动芯片,同时采用了业界标准的5mmx6mm QFN封装,此封装占板面积小,可大幅提升功率密度,能广泛应用于高性能服务器,存储服务器,数据通讯,AI训练和推理加速卡,显卡,高端台式机和笔记本等应用。
三、MK6850 产品特征
●集成高性能SGT MOSFET上下管和智能驱动
● 30V/25V 上/下管耐压
● 90A 最大平均电流
● 120A 峰值过流保护
● 5uA/A IMON上报
● 8mV/℃ 温度上报
● 200kHz-1.2MHz 开关频率,瞬态4MHz
● 4.5V-16V 输入电压范围
● 4.5V-5.5V 驱动电压
● 3.3V/5V PWM逻辑电平
● 支持三态PWM和使用下管体二极管进行降低过冲操作
● BOOT-PHASE 电容电压自动刷新充电
● 丰富的保护功能:正电流保护, 负电流保护, 过温保护,VCC/VDRV/BOOT-PHASE欠压保护, 上、下管短路保护,智能故障上报识别Fault ID
●兼容多品牌多相控制器
● 符合ROHS标准
● 管脚兼容(行业标准39-Pin 5x6 QFN)
四、MK6850 引脚封装图&典型应用框图
MK6850引脚封装图
MK6850典型应用框图
五、MK6850 三大重要设计指标
GPU、NPU/TPU、CPU等算力芯片的运算速率越来越高,处理数据量与日俱增,能耗持续攀升,对智能功率级(SPS)的性能和稳定性提出了更高的要求,因此茂睿芯将高可靠性,高效率和高精度IMON上报作为MK6850的三大重要设计指标。
1、高可靠性
针对高可靠性,MK6850采用了垂直结构的SGT MOSFET,相较于平面MOSFET,SGT MOSFET具有热阻小,耐压高,EAS能力强。经过器件长时间的封装可靠性测试、超20万小时的重载可靠性测试以及极限测试,全方位地验证了器件的可靠性,确保其稳定可靠。
MK6850 SGT MOSFET剖面结构图
2、高效率
为提高效率,MK6850采用了超低Rdson的SGT MOSFET,配以低阻抗大通流的铜扣封装,对死区时间进行了精细优化。以12V输入、1.8V输出、5V驱动电压、800kHz开关频率条件为例,MK6850的峰值效率为94.7%,领先于国内同类产品。
MK6850 MCM封装结构图
12V 转1.8V效率图(已含电感损耗)
3、高精度 IMON 上报
SPS产品的IMON上报精度对于CPU等中央处理器的性能起到至关重要的作用,上报偏高会限制CPU的性能;上报偏低可提高CPU性能,但会使CPU过热从而影响CPU使用寿命。
MK6850具备实时侦测内部MOSFET电流信息的能力,结合驱动器内置的先进电流上报算法以及精准的温度补偿机制,使其能够实现5uA/A且精度为±5%的IMON输出,确保提高CPU性能的同时不影响CPU的使用寿命。
12V转1.8V 800kHz IMON上报误差图
六、MK6850 温度上报与保护功能
MK6850内部集成了温度上报与过温保护功能,温度信息通过TMON引脚以8mV/℃的比例输出。同时,MK6850 TMON引脚还兼具故障输出功能,能够通过电平的高低向多相控制器报告不同类型的错误。
在保护功能方面,MK6850特别设计了峰值逐周期限流功能,专为预防多相控制器误发长PWM脉宽信号而出现输出电感饱和的问题,这一功能设计为防止电感饱提供了坚实后盾与最后一道安全防线。
其次,MK6850还具备负电流保护功能,能够在输出电压下调(DVID DOWN)或过压保护(OVP)等情况时,有效防止因长时间开启下管所导致的电感反向饱和现象。即便在电感未发生反向饱和的情况下,当控制器需要关闭下管时,也能阻止过大的负电流流经上管的体二极管,从而确保上管的安全,避免其因过热而损坏。
值得一提的是,MK6850还具备BOOT电容自动刷新功能,当PWM信号持续处于三态模式,并且BOOT电容电压跌落至预设的阈值以下时,驱动电路会自动对BOOT电容进行充电,这一设计确保了在下一次上管开启时能够为其提供足够的驱动电压,从而保障整个电源系统稳定和高效的运行。
七、MK6850 兼容性分析与测试
1、MK6850 兼容性分析
智能功率级(SPS)与控制器必须连接的三个引脚为IMON、TMON/FLT和PWM,以下从原理上分析MK6850 这三个引脚和市面上主流多相控制器的兼容性。
①IMON 引脚
MK6850 IMON上报符合业界通用标准5uA/A,通过微调控制器IMON的Gain和Offset,可达到CPU所要求的IMON上报精度,也可以外接1kΩ电阻,将电流型的IMON变成电压型IMON,实现向下兼容。
②TMON/FLT 引脚
MK6850 TMON符合业界通用标准8mV/℃,0.6V@0℃,可完全实现兼容,发生Fault时TMON能拉高至3.3V。
③PWM 引脚
MK6850 符合业界控制器通用3.3V PWM电平标准。
MK6850可以在PWM三态、PWM高和PWM低之间任意切换,POCP功能可保护PWM高到PWM三态产生长脉宽而造成地电感饱和。
MK6850支持PWM高最小脉冲,当PWM高不足50ns时能扩展为50ns,可防止驱动器损坏。
MK6850支持PWM低最小脉冲,当PWM低不足50ns时能扩展为50ns,可防止驱动器损坏。
MK6850支持NOCP,当PWM常低时防止电感反向饱和,阻止负电流损坏上管体二极管。
MK6850支持POCP,当控制器P2CL不准确,或者PWM常高时防止电感饱和。
MK6850支持大动态释放负载时PWM变为三态进入Body Braking模式。
2、MK6850 兼容性测试
MK6850的驱动器内置严密控制和保护逻辑,已成功与国内外多家厂商的多相控制器进行了广泛的兼容性测试,包括但不限于英特尔VR14 Eagle Stream 350W平台、国内64核ARM平台&SW64平台。
①Intel VR14 Eagle Stream平台0A-445A静态电流上报:通过
②Intel VR14 Eagle Stream平台108A-445A, 1081A/us, 3D Worst Case:通过
③通过多客户多平台测试
八、MK6850 典型应用场景
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原文标题:新品发布 | 茂睿芯推出90A智能功率级(SPS)MK6850
文章出处:【微信号:Meraki Integrated茂睿芯,微信公众号:Meraki Integrated茂睿芯】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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