一、背景

自2022年OpenAI發(fā)布ChatGPT以來，生成式人工智能（AI）技術(shù)獲得了廣泛關(guān)注，一系列開創(chuàng)性研究成果相繼發(fā)布，引領(lǐng)了人工智能的新一輪創(chuàng)新浪潮。當(dāng)前人工智能、數(shù)據(jù)中心等算力基礎(chǔ)設(shè)施，都以GPU、NPU/TPU、CPU等算力芯片作為計(jì)算核心，它們均基于先進(jìn)半導(dǎo)體工藝制作，采用多相電源（多相控制器 + 智能功率級(jí)Smart Power Stage，簡稱SPS）為其提供低壓大電流的電源管理解決方案。為滿足客戶當(dāng)前對多相電源高功率密度、高效率和高可靠性的需求，降低TCO、提高電能轉(zhuǎn)換效率和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，茂睿芯推出了90A等級(jí)的智能功率級(jí)MK6850。

SPS在AI服務(wù)器供電架構(gòu)中的應(yīng)用

SPS在傳統(tǒng)服務(wù)器供電架構(gòu)中的應(yīng)用

二、茂睿芯90A SPS產(chǎn)品 MK6850

智能功率級(jí)是一種高端的DC-DC芯片，是電源管理芯片中技術(shù)含量最高的產(chǎn)品之一。MK6850作為一顆智能功率級(jí)產(chǎn)品，采用多晶圓封裝技術(shù)，內(nèi)部集成了兩顆超低Rdson 的SGT MOSFET和一顆高性能驅(qū)動(dòng)芯片，同時(shí)采用了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的5mmx6mm QFN封裝，此封裝占板面積小，可大幅提升功率密度，能廣泛應(yīng)用于高性能服務(wù)器，存儲(chǔ)服務(wù)器，數(shù)據(jù)通訊，AI訓(xùn)練和推理加速卡，顯卡，高端臺(tái)式機(jī)和筆記本等應(yīng)用。

三、MK6850 產(chǎn)品特征

●集成高性能SGT MOSFET上下管和智能驅(qū)動(dòng)

● 30V/25V 上/下管耐壓

● 90A 最大平均電流

● 120A 峰值過流保護(hù)

● 5uA/A IMON上報(bào)

● 8mV/℃ 溫度上報(bào)

● 200kHz-1.2MHz 開關(guān)頻率，瞬態(tài)4MHz

● 4.5V-16V 輸入電壓范圍

● 4.5V-5.5V 驅(qū)動(dòng)電壓

● 3.3V/5V PWM邏輯電平

● 支持三態(tài)PWM和使用下管體二極管進(jìn)行降低過沖操作

● BOOT-PHASE 電容電壓自動(dòng)刷新充電

● 豐富的保護(hù)功能：正電流保護(hù), 負(fù)電流保護(hù), 過溫保護(hù)，VCC/VDRV/BOOT-PHASE欠壓保護(hù), 上、下管短路保護(hù)，智能故障上報(bào)識(shí)別Fault ID

●兼容多品牌多相控制器

● 符合ROHS標(biāo)準(zhǔn)

● 管腳兼容（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)39-Pin 5x6 QFN）

四、MK6850 引腳封裝圖&典型應(yīng)用框圖

MK6850引腳封裝圖

MK6850典型應(yīng)用框圖

五、MK6850 三大重要設(shè)計(jì)指標(biāo)

GPU、NPU/TPU、CPU等算力芯片的運(yùn)算速率越來越高，處理數(shù)據(jù)量與日俱增，能耗持續(xù)攀升，對智能功率級(jí)（SPS）的性能和穩(wěn)定性提出了更高的要求，因此茂睿芯將高可靠性，高效率和高精度IMON上報(bào)作為MK6850的三大重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1、高可靠性

針對高可靠性，MK6850采用了垂直結(jié)構(gòu)的SGT MOSFET，相較于平面MOSFET，SGT MOSFET具有熱阻小，耐壓高，EAS能力強(qiáng)。經(jīng)過器件長時(shí)間的封裝可靠性測試、超20萬小時(shí)的重載可靠性測試以及極限測試，全方位地驗(yàn)證了器件的可靠性，確保其穩(wěn)定可靠。

MK6850 SGT MOSFET剖面結(jié)構(gòu)圖

2、高效率

為提高效率，MK6850采用了超低Rdson的SGT MOSFET，配以低阻抗大通流的銅扣封裝，對死區(qū)時(shí)間進(jìn)行了精細(xì)優(yōu)化。以12V輸入、1.8V輸出、5V驅(qū)動(dòng)電壓、800kHz開關(guān)頻率條件為例，MK6850的峰值效率為94.7%，領(lǐng)先于國內(nèi)同類產(chǎn)品。

MK6850 MCM封裝結(jié)構(gòu)圖

12V 轉(zhuǎn)1.8V效率圖（已含電感損耗）

3、高精度 IMON 上報(bào)

SPS產(chǎn)品的IMON上報(bào)精度對于CPU等中央處理器的性能起到至關(guān)重要的作用，上報(bào)偏高會(huì)限制CPU的性能；上報(bào)偏低可提高CPU性能，但會(huì)使CPU過熱從而影響CPU使用壽命。

MK6850具備實(shí)時(shí)偵測內(nèi)部MOSFET電流信息的能力，結(jié)合驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的先進(jìn)電流上報(bào)算法以及精準(zhǔn)的溫度補(bǔ)償機(jī)制，使其能夠?qū)崿F(xiàn)5uA/A且精度為±5%的IMON輸出，確保提高CPU性能的同時(shí)不影響CPU的使用壽命。

12V轉(zhuǎn)1.8V 800kHz IMON上報(bào)誤差圖

六、MK6850 溫度上報(bào)與保護(hù)功能

MK6850內(nèi)部集成了溫度上報(bào)與過溫保護(hù)功能，溫度信息通過TMON引腳以8mV/℃的比例輸出。同時(shí)，MK6850 TMON引腳還兼具故障輸出功能，能夠通過電平的高低向多相控制器報(bào)告不同類型的錯(cuò)誤。

在保護(hù)功能方面，MK6850特別設(shè)計(jì)了峰值逐周期限流功能，專為預(yù)防多相控制器誤發(fā)長PWM脈寬信號(hào)而出現(xiàn)輸出電感飽和的問題，這一功能設(shè)計(jì)為防止電感飽提供了堅(jiān)實(shí)后盾與最后一道安全防線。

其次，MK6850還具備負(fù)電流保護(hù)功能，能夠在輸出電壓下調(diào)（DVID DOWN）或過壓保護(hù)（OVP）等情況時(shí)，有效防止因長時(shí)間開啟下管所導(dǎo)致的電感反向飽和現(xiàn)象。即便在電感未發(fā)生反向飽和的情況下，當(dāng)控制器需要關(guān)閉下管時(shí)，也能阻止過大的負(fù)電流流經(jīng)上管的體二極管，從而確保上管的安全，避免其因過熱而損壞。

值得一提的是，MK6850還具備BOOT電容自動(dòng)刷新功能，當(dāng)PWM信號(hào)持續(xù)處于三態(tài)模式，并且BOOT電容電壓跌落至預(yù)設(shè)的閾值以下時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路會(huì)自動(dòng)對BOOT電容進(jìn)行充電，這一設(shè)計(jì)確保了在下一次上管開啟時(shí)能夠?yàn)槠涮峁┳銐虻尿?qū)動(dòng)電壓，從而保障整個(gè)電源系統(tǒng)穩(wěn)定和高效的運(yùn)行。

七、MK6850 兼容性分析與測試

1、MK6850 兼容性分析

智能功率級(jí)（SPS）與控制器必須連接的三個(gè)引腳為IMON、TMON/FLT和PWM，以下從原理上分析MK6850 這三個(gè)引腳和市面上主流多相控制器的兼容性。

①IMON 引腳

MK6850 IMON上報(bào)符合業(yè)界通用標(biāo)準(zhǔn)5uA/A，通過微調(diào)控制器IMON的Gain和Offset，可達(dá)到CPU所要求的IMON上報(bào)精度，也可以外接1kΩ電阻，將電流型的IMON變成電壓型IMON，實(shí)現(xiàn)向下兼容。

②TMON/FLT 引腳

MK6850 TMON符合業(yè)界通用標(biāo)準(zhǔn)8mV/℃，0.6V@0℃，可完全實(shí)現(xiàn)兼容，發(fā)生Fault時(shí)TMON能拉高至3.3V。

③PWM 引腳

MK6850 符合業(yè)界控制器通用3.3V PWM電平標(biāo)準(zhǔn)。

MK6850可以在PWM三態(tài)、PWM高和PWM低之間任意切換，POCP功能可保護(hù)PWM高到PWM三態(tài)產(chǎn)生長脈寬而造成地電感飽和。

MK6850支持PWM高最小脈沖，當(dāng)PWM高不足50ns時(shí)能擴(kuò)展為50ns，可防止驅(qū)動(dòng)器損壞。

MK6850支持PWM低最小脈沖，當(dāng)PWM低不足50ns時(shí)能擴(kuò)展為50ns，可防止驅(qū)動(dòng)器損壞。

MK6850支持NOCP，當(dāng)PWM常低時(shí)防止電感反向飽和，阻止負(fù)電流損壞上管體二極管。

MK6850支持POCP，當(dāng)控制器P2CL不準(zhǔn)確，或者PWM常高時(shí)防止電感飽和。

MK6850支持大動(dòng)態(tài)釋放負(fù)載時(shí)PWM變?yōu)槿龖B(tài)進(jìn)入Body Braking模式。

2、MK6850 兼容性測試

MK6850的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置嚴(yán)密控制和保護(hù)邏輯，已成功與國內(nèi)外多家廠商的多相控制器進(jìn)行了廣泛的兼容性測試，包括但不限于英特爾VR14 Eagle Stream 350W平臺(tái)、國內(nèi)64核ARM平臺(tái)&SW64平臺(tái)。

①Intel VR14 Eagle Stream平臺(tái)0A-445A靜態(tài)電流上報(bào):通過

②Intel VR14 Eagle Stream平臺(tái)108A-445A, 1081A/us, 3D Worst Case：通過

③通過多客戶多平臺(tái)測試

八、MK6850 典型應(yīng)用場景