一、背景

自2022年OpenAI發(fā)布ChatGPT以來，生成式人工智能（AI）技術獲得了廣泛關注，一系列開創(chuàng)性研究成果相繼發(fā)布，引領了人工智能的新一輪創(chuàng)新浪潮。當前人工智能、數(shù)據(jù)中心等算力基礎設施，都以GPU、NPU/TPU、CPU等算力芯片作為計算核心，它們均基于先進半導體工藝制作，采用多相電源（多相控制器 + 智能功率級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、提高電能轉換效率和實現(xiàn)“雙碳”目標，茂睿芯推出了90A等級的智能功率級MK6850。

SPS在AI服務器供電架構中的應用

SPS在傳統(tǒng)服務器供電架構中的應用

二、茂睿芯90A SPS產(chǎn)品 MK6850

智能功率級是一種高端的DC-DC芯片，是電源管理芯片中技術含量最高的產(chǎn)品之一。MK6850作為一顆智能功率級產(chǎn)品，采用多晶圓封裝技術，內部集成了兩顆超低Rdson 的SGT MOSFET和一顆高性能驅動芯片，同時采用了業(yè)界標準的5mmx6mm QFN封裝，此封裝占板面積小，可大幅提升功率密度，能廣泛應用于高性能服務器，存儲服務器，數(shù)據(jù)通訊，AI訓練和推理加速卡，顯卡，高端臺式機和筆記本等應用。

三、MK6850 產(chǎn)品特征

●集成高性能SGT MOSFET上下管和智能驅動

● 30V/25V 上/下管耐壓

● 90A 最大平均電流

● 120A 峰值過流保護

● 5uA/A IMON上報

● 8mV/℃ 溫度上報

● 200kHz-1.2MHz 開關頻率，瞬態(tài)4MHz

● 4.5V-16V 輸入電壓范圍

● 4.5V-5.5V 驅動電壓

● 3.3V/5V PWM邏輯電平

● 支持三態(tài)PWM和使用下管體二極管進行降低過沖操作

● BOOT-PHASE 電容電壓自動刷新充電

● 豐富的保護功能：正電流保護, 負電流保護, 過溫保護，VCC/VDRV/BOOT-PHASE欠壓保護, 上、下管短路保護，智能故障上報識別Fault ID

●兼容多品牌多相控制器

● 符合ROHS標準

● 管腳兼容（行業(yè)標準39-Pin 5x6 QFN）

四、MK6850 引腳封裝圖&典型應用框圖

MK6850引腳封裝圖

MK6850典型應用框圖

五、MK6850 三大重要設計指標

GPU、NPU/TPU、CPU等算力芯片的運算速率越來越高，處理數(shù)據(jù)量與日俱增，能耗持續(xù)攀升，對智能功率級（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上報作為MK6850的三大重要設計指標。

1、高可靠性

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

MK6850 SGT MOSFET剖面結構圖

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)時間進行了精細優(yōu)化。以12V輸入、1.8V輸出、5V驅動電壓、800kHz開關頻率條件為例，MK6850的峰值效率為94.7%，領先于國內同類產(chǎn)品。

MK6850 MCM封裝結構圖

12V 轉1.8V效率圖（已含電感損耗）

3、高精度 IMON 上報

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

MK6850具備實時偵測內部MOSFET電流信息的能力，結合驅動器內置的先進電流上報算法以及精準的溫度補償機制，使其能夠實現(xiàn)5uA/A且精度為±5%的IMON輸出，確保提高CPU性能的同時不影響CPU的使用壽命。

12V轉1.8V 800kHz IMON上報誤差圖

六、MK6850 溫度上報與保護功能

MK6850內部集成了溫度上報與過溫保護功能，溫度信息通過TMON引腳以8mV/℃的比例輸出。同時，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告不同類型的錯誤。

在保護功能方面，MK6850特別設計了峰值逐周期限流功能，專為預防多相控制器誤發(fā)長PWM脈寬信號而出現(xiàn)輸出電感飽和的問題，這一功能設計為防止電感飽提供了堅實后盾與最后一道安全防線。

其次，MK6850還具備負電流保護功能，能夠在輸出電壓下調（DVID DOWN）或過壓保護（OVP）等情況時，有效防止因長時間開啟下管所導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，當控制器需要關閉下管時，也能阻止過大的負電流流經(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電容自動刷新功能，當PWM信號持續(xù)處于三態(tài)模式，并且BOOT電容電壓跌落至預設的閾值以下時，驅動電路會自動對BOOT電容進行充電，這一設計確保了在下一次上管開啟時能夠為其提供足夠的驅動電壓，從而保障整個電源系統(tǒng)穩(wěn)定和高效的運行。

七、MK6850 兼容性分析與測試

1、MK6850 兼容性分析

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

①IMON 引腳

MK6850 IMON上報符合業(yè)界通用標準5uA/A，通過微調控制器IMON的Gain和Offset，可達到CPU所要求的IMON上報精度，也可以外接1kΩ電阻，將電流型的IMON變成電壓型IMON，實現(xiàn)向下兼容。

②TMON/FLT 引腳

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

③PWM 引腳

MK6850 符合業(yè)界控制器通用3.3V PWM電平標準。

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PWM高不足50ns時能擴展為50ns，可防止驅動器損壞。

MK6850支持PWM低最小脈沖，當PWM低不足50ns時能擴展為50ns，可防止驅動器損壞。

MK6850支持NOCP，當PWM常低時防止電感反向飽和，阻止負電流損壞上管體二極管。

MK6850支持POCP，當控制器P2CL不準確，或者PWM常高時防止電感飽和。

MK6850支持大動態(tài)釋放負載時PWM變?yōu)槿龖B(tài)進入Body Braking模式。

2、MK6850 兼容性測試

MK6850的驅動器內置嚴密控制和保護邏輯，已成功與國內外多家廠商的多相控制器進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、國內64核ARM平臺&SW64平臺。

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

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

③通過多客戶多平臺測試

八、MK6850 典型應用場景