哦？MPS从兜子里面掏出一颗芯片说：兄die～你看看哥们这货硬不硬！

云深无际

发布于 2025-07-24 09:35:00

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上次写了一篇搓可调电源的，我看有不少对这个料感兴趣的，那就专门再扒一扒MPM54524这颗料。

我拿MPM54524设计了一个桌面开源可调电源

随着 5G、AI、物联网、云计算等高性能计算需求的兴起，FPGA 供电复杂度急剧上升。如图示例某 5G 宏基站 FPGA，竟然需要 多达 13 路不同电源轨，对供电模块提出了：

比如多路输出通道能力；多轨间启动/关闭顺序控制；高功率密度、低噪声、小体积等综合要求。

主从结构

13个电源轨道，这一看就是ZYNQ啊！

MPM54524 是一款由 MPS（Monolithic Power Systems）推出的高度集成四通道 5A 输出电源模块。它结合了多相降压电源、I²C 数字控制、状态监控和多种保护功能，专为 FPGA/ASIC、通信系统、光模块 等多轨精密供电应用而设计。

项目	参数说明
通道数	4 路（A/B/C/D），每路 5A，最大总输出可达 20A（并联模式）
输入电压范围	4V ~ 16V（VIN1/VIN2 分别供给不同 Buck）
输出电压范围	0.4V ~ 5.5V（每路均可独立配置）
封装尺寸	ECLGA-51，8mm × 8mm × 2.9mm
调节频率范围	500kHz ~ 1000kHz
遥感接口	支持三路差分遥感：VSA±、VSB±、VSC±
输出调节方式	支持通过 I²C 设置或内建 MTP（多次可编程）存储器配置
启动顺序控制	支持四通道独立上电/关断顺序延迟配置
工作模式	PWM / PFM 自动切换；支持并联工作（2相交错模式）
保护机制	UVLO、UVP、OVP、OCP、OTP、软启动/关断、输出放电
遥测功能	通过 I²C 读取：VOUT、电流、电源功耗、温度等
并联模式支持	BuckA 与 BuckB 可做 2相交错工作，自动电流均衡；A~D 支持 AVP 被动均流

这个MTP就是针对不想IIC控制的用户，可以一次就写入固定的电源模式。出厂前或初次上电后永久存储配置；所有输出电压、限流值、软启动时间、故障保护等参数 均可通过 I²C 实时配置；出厂前或初次上电后永久存储配置，这个就先不说了。

传统一个100A的电源要设计成这样，可以看到至少要两个控制器以及复杂的外围

现在一颗就完成了

多相互联并联供电能力：

A+B 通道并联（共享一个电感）；C+D 通道并联（同步交错），实现 10A~20A 输出电流，均流由内部控制器完成。

可以任意组合输出

      BuckA     BuckB
        │         │
        └─┬───────┘
           ▼
         共用电感 + 输出

利用内部自动调节相位和导通时间，实现 主动电流均衡（Active Current Balancing）

所有通道也可开启 AVP 模式，实现 被动电流均衡（Voltage Droop Compensation）

电气特性参数（典型值）

项目	数值
输入电压范围	4V ~ 16V
每路最大输出电流	5A
最小开启时间	30 ns
最小关闭时间	120 ns
输出电压精度	±1.5%（典型为 3.36V ±50mV）
VCC 输出（内部LDO）	3.3V ±1%
效率	>90%（1.8~3.3V 负载中高）
工作温度范围	-40°C ~ +125°C

接下来聊一下它的电源结构，就是内部是如何设计的，可以获得如此强大的性能～

比较奇怪一点是我做不到这个Buck A在哪里

每个输出通道（BuckA、BuckB、BuckC、BuckD）使用的是典型的同步降压型开关电源拓扑（Synchronous Buck Converter）

同步降压拓扑（Synchronous Buck Converter）

这种架构非常的成熟了同步 Buck 工作在两相交替导通：

相位 1：High-Side 开通，Low-Side 关断

电流由 VIN → 高边 MOS → 电感 → 负载

电感储能

SW 节点为高电平（≈ VIN）

相位 2：High-Side 关断，Low-Side 开通

电感电流反向释放，流过 Low-Side MOS

保持输出电流连续

SW 节点为低电平（≈ GND）

因为MOSFET 替代肖特基，损耗显著降低

每通道的核心结构如下：

VIN ──► High-side MOSFET ─┬─► L ─► C ─► VOUT
                          │
                     Low-side MOSFET
                          │
                         GND

元件	功能说明
High-side MOSFET	连接到 VIN，控制导通时间以调节输出功率
Low-side MOSFET	替代传统肖特基二极管，提升效率
电感 L	滤波与能量传输，决定电流纹波
输出电容 C	滤除开关噪声，提供稳压输出

该拓扑可实现高效率、稳定控制，支持恒定频率下的 PWM 控制或轻载自动切换到 PFM 模式（省电）。

多相交错并联机制（Interleaved Phases）

对于大电流输出（如将 BuckA 与 BuckB 并联），MPM54524 支持双相交错模式。

假设需要提供很大的输出电流，比如 20A。

可以用一颗大功率单相 Buck 拓扑输出 20A，但会遇到：高频开关损耗大；热分布不均，输出电流纹波大。

用多相（如 4 相）并联的方式输出，每相提供 5A，并在时间上错开开关时序，这就是多相交错。

假设 4 相

Phase	开关时间序列（一个周期）
Phase 0	开始导通于 0°
Phase 1	开始导通于 90°
Phase 2	开始导通于 180°
Phase 3	开始导通于 270°

每相之间错开 90°（360°/4），在一个开关周期内轮流导通，称为相位交错（phase interleaving）。各相的电流在时间上交错，相互抵消，输出纹波显著减小；电流由多个相分担，MOSFET 和电感温升更低，热分布更均匀。

以上图像展示了 1、2、3、4 相交错降压输出的合成波形，每张图都清晰地显示了：

各相的 PWM 导通时间交错分布；底部黑色曲线为多个相电流的总输出电流波形；相数越多，合成波形越平滑，纹波越小。

附加遥感 + 主从反馈路径（Remote Sense + AVP）

本质上是一种为了解决“远端负载电压精度”和“多通道电流一致性”问题而引入的控制方式。遥感（Remote Sensing）是一种利用一对差分信号线，在负载端直接采样电压的方法。正常 Buck 架构中，反馈电压是从本地 PCB 输出端采样的，无法感知线损（IR Drop）；使用遥感后，反馈信号从远端负载（如 FPGA Vcore 引脚）回传，从而自动补偿压降。

MPM54524 集成了 3 组遥感差分输入 VS±

MPM54524 的内部拓扑结构

模块	拓扑类型
BuckA ~ D	同步降压型开关电源
并联（A+B）	双相交错 Buck 并联
控制方式	峰值电流模式 PWM/PFM 切换控制
电压设定	数字 I²C 设置或 MTP 编程存储
电流均流机制	主动式均流（调制占空比）或 AVP 分压
遥感控制	差分远端电压反馈（负载点调节精度）

所有性能测试条件为：

VIN = 12V，除非特别标注为 5V

Ambient 温度 = 25°C

单通道测试或多相并联测试均有涉及

测试板为官方评估板（Evaluation Board）

首先是我们喜闻乐见的效率与功耗

Efficiency vs. Load Current

Power Loss vs. Load Current

Thermal Derating

参数名称	描述
Efficiency vs. Load Current	不同输出电压条件下，随负载电流变化的效率曲线
Power Loss vs. Load Current	不同输出条件下，每通道的功耗随电流变化
Thermal Derating	随环境温度上升，每通道最大输出电流的降低曲线

稳压性能（电源调节能力）

image-20250605131651720

参数名称	描述
Load Regulation	负载调整率（IOUT 从 0A → 5A）对输出电压的影响
Line Regulation	输入电压变化（VIN = 4V ~ 16V）下 VOUT 稳定性

多组 VOUT（0.85V、1.2V、1.8V、2.5V、3.3V）分别在不同频率下测试（750kHz 或 1000kHz）

分别对比不同负载：0A、2.5A、5A 这些都没有什么好说的，看图的话，尽量还在保证子啊负载模式下比较好。

启动行为 & 纹波测试

这里只看一个

参数名称	描述
Start-Up through EN	从 EN 使能上电时的输出电压波形
Start-Up through VIN	上电通 VIN 时的多相并联启动响应（最大至 20A）
Steady-State Ripple	稳态下输出电压纹波（0A 与 5A 时测量）
Load Transient	负载瞬变响应（0A → 2.5A 或 0A → 20A，斜率 2.5A/μs）

包含 AC 耦合纹波波形（VOUT AC）

波形单位细节：20mV/div、50mV/div，2μs 或 100μs 时间基准

但是我看着是空载和带载的时候是一样的，没有什么变化。

多相并联行为

image-20250605132038545

参数名称	描述
4-Phase Paralleled Load Regulation	4通道并联后 20A 输出时的负载调整率
Start-Up with 20A Load (Parallel)	四相并联、满载 20A 时的启动电压、电流和 PG 状态波形

输出电压与电流均衡情况评估；并联情况下负载调节能力仍优异，看手册是跑满了。

总线结构与地址配置

I²C 是 7-bit 地址制

通过芯片引脚 ADDR1 和 ADDR2 可配置 I²C 地址，共支持 9 个独立地址

允许在同一 I²C 总线上挂多个 MPM54524，用地址区分控制

IIC我们是熟悉的，它是一种同步协议：

写一个寄存器的例子

我们时刻要记住，在什么地址，做什么动作，传输的数据是什么，这样就可以完成一个完整的帧结构。

I²C 设备寄存器访问基本格式

写寄存器：

[START] + [Device Addr + W] + [Reg Addr] + [Data Byte(s)] + [STOP]

读寄存器：

Step 1: [START] + [Device Addr + W] + [Reg Addr] + [STOP]  
Step 2: [START] + [Device Addr + R] + [Data Byte(s)] + [STOP]

每个寄存器地址固定，长度多为 1 byte 数据（少数多字节）

所有寄存器地址、功能、默认值，在 datasheet 的 Register Map 一章列出

常用寄存器功能

寄存器地址	功能名称	描述
0x0C	Buck Enable Register	每个通道使能
0x15~18	VOUTA/B/C/D 设置	输出电压设置（8-bit 数据）
0x1C~1F	上电顺序延迟	各通道的启动延迟时间
0x02~05	输出电流监测	实时读取每个通道的输出电流
0x24	芯片温度读取	温度传感器输出（单位 TBD）
0x30~33	输出功率估算	P = VOUT × IOUT（估算值）
0x3B	故障标志寄存器	各种保护故障：OVP、UVP、OCP 等状态位
0x14	并联控制寄存器（A+B）	设置 A、B 通道并联 / 主从 / 相位控制

假如你想把 VOUTA 设置为 1.2V：

是连着的

查 0x15 是 VOUTA 的寄存器地址
设电压配置公式如下（文档中提供）： Step ≈ 10mV
计算 CODE：
写入 I²C：

[START] + 0x20 (W) + 0x15 + 0x50 + [STOP]

温度 / 电流 / 故障监测

电流

内部温度

地址	名称	描述	位说明
02h~05h	BUCKx_CURRENT/PWR_METER	Buck A~D 输出电流或功率监测	8bit ADC 编码，每步 125mA/125mW，满量程约 7.875A
06h	BUCKx_VOLTAGE	输出电压监测 VOUT	每步 15mV，满量程 3.825V（255阶）

使用 0x02~0x05 读取通道电流

使用 0x24 读取温度（需查转换公式）

使用 0x3B 读取所有故障状态位

这些可以配合 MCU 定时轮询，用于电源健康状态管理。

多次可编程 MTP 存储器

写入寄存器后，还可以将当前设置写入 MTP（非易失性存储器）

电源掉电后，仍然保留配置

应该是这个

使用 0x10 控制写入命令，支持最大 7 次编程

地址	名称	功能说明
30h	MTP_AUTO_REG	自动写入 MTP 存储控制位（Bit7 触发）
71h	ACTIVE_POS_EN_AB	启用 Buck A/B 的 AVP（主动负载均流）
73h	I2C_ADDRESS	设置器件的 I²C 地址（写入 MTP 后生效）
79h	ACTIVE_POS_EN_CD	启用 Buck C/D 的 AVP

我们这个片子，引脚很多，可以搭配一颗MCU来做集成：

SCL/SDA I²C 接口接到 MCU 的 I²C（使用 10-pin 接口）这里是评估板上面给的接口，可以自己设计的时候按照自己的喜好来

EN 电源使能控制 MCU 可控制电源启动/关闭就像负载开关一样，减少系统不必要的漏电

PG 电源输出状态反馈接 MCU 的 GPIO 输入，判断电源是否稳定，可以在不编程的情况下获得片子的状态

ADDR1/2 地址选择可配置不同地址，支持多个板子级联可以使用电子开关来完成多个通道的设置

VOUTx 各通道电压输出可测电压或接传感器/负载如果我们想做闭环，也是可以直接测量的。

我们的MCU对片子来说，就是读写操作：

控制目标	I²C 操作类型	寄存器地址	说明
设置输出电压	写	0x15~0x18	0x15 = BUCKA_VOUT；值范围取决于步进（~10mV）
启用输出通道	写	0x0C	各位控制 A~~D ，1=启用，0=禁用
读取电压值	读	0x06	电压值，单位约 15mV（取决于寄存器映射）
读取电流值	读	0x02~0x05	每路输出电流，单位约 125mA
读取温度	读	0x24	芯片温度寄存器
读取故障状态	读	0x00~0x01	STATUS_0/1 包含 UVP/OVP/PG/OTP 等位

这个控制上面，可以选择的芯片比较多，可以使用WCH家的串口转IIC电脑控制，也可以直接MCU的IIC控制，反正就是常规的读写，没有难度。

我们多轨电源使用的时候一些通道是有时序要求的，就是什么通道先上这样，比如FPGA/SoC 上电顺序；某些核心（如 VDD_CORE）必须早于 IO，靠此顺序控制。也可以避免多路瞬间启动造成供电系统电流冲击

启动时序行为

Buck A、B、C、D 通道在系统上电（或 EN 拉高）后按预设延迟依次启动的过程，并通过 PG（电源良好）信号反映各通道是否成功输出

信号名称	含义
EN	芯片使能信号，拉高后启动
VOUTA~D	各路 Buck 输出电压
PG	Power Good，所有通道稳定后拉高

我们可以使用6个通道来监控这个上电过程

Step 1: EN 拉高 → 启动启动时序逻辑

EN 引脚上升沿触发 MPM54524 启动逻辑；芯片内部软启动状态机开始生效

Step 2: 4 个 Buck 通道依次上电（带延迟）

每个通道都有一个独立的启动延迟，定义在寄存器 0x19~0x1C：

通道	启动延迟设置寄存器	默认状态
Buck A	0x19	0 ms
Buck B	0x1A	1 ms
Buck C	0x1B	2 ms
Buck D	0x1C	3 ms

非常的精细

所以在图中看到 VOUTA、B、C、D 分别在 EN 拉高后延迟约 0~3ms 顺序启动。

Step 3: 各通道软启动

每个通道输出电压呈现斜坡上升；软启动时间由寄存器 0x13 控制，通常为 1~5ms。最小的颗粒度是0.5ms

作用：限制冲击电流；防止负载突变。

Step 4: 所有通道达到稳定电压 → PG 拉高

每通道都有 Power-Good 判断窗口（±7% 默认）

当全部通道输出电压进入规定范围：PG 引脚（Open-Drain）拉高 → 表示“系统电源稳定”；若某一通道出现 UV、OV、OTP、OCP → PG 会拉低。

模拟Power-On Sequence（上电顺序）

每路 Buck 转换器依次延迟启动，输出电压按预设斜率平滑上升，最终稳定在 1.2V。

可以写一个类：

from mpm54524_controller import MPM54524Controller
ctrl = MPM54524Controller()
# 设置 Buck A~D 启动延迟（单位：0.5ms 每步）
ctrl.i2c_write_byte(0x19, 0x00)  # BuckA 延迟 0
ctrl.i2c_write_byte(0x1A, 0x01)  # BuckB 延迟 0.5ms
ctrl.i2c_write_byte(0x1B, 0x02)  # BuckC 延迟 1.0ms
ctrl.i2c_write_byte(0x1C, 0x03)  # BuckD 延迟 1.5ms
ctrl.close()

更加的方便控制

上面一直说反馈引脚，反馈引脚的，什么东西？