深入解析MAX17795：高效同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，電源管理芯片的選擇至關(guān)重要。一款性能優(yōu)異的DC - DC轉(zhuǎn)換器能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供穩(wěn)定、高效的電源，確保設(shè)備的可靠運(yùn)行。今天，我們就來深入探討一下Analog Devices公司的MAX17795，這是一款高電壓、高效率的同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，它集成了MOSFET，能在3V至80V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，最大可輸出5A電流，輸出電壓范圍從0.6V到輸入電壓的90%。

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一、關(guān)鍵特性

1. 減小方案尺寸和成本

• 同步操作：采用無肖特基二極管的同步操作，減少了外部元件的使用，降低了成本。
• 內(nèi)部補(bǔ)償：內(nèi)置補(bǔ)償組件，無需外部補(bǔ)償元件，簡化了設(shè)計(jì)。
• 全陶瓷電容：支持全陶瓷電容，有助于實(shí)現(xiàn)緊湊的布局，減小方案尺寸。
• 可調(diào)輸出：輸出電壓范圍可調(diào)，從0.6V到輸入電壓的90%，滿足不同應(yīng)用需求。
• 可調(diào)頻率：開關(guān)頻率可在300kHz至1.5MHz之間調(diào)節(jié)，并支持外部時(shí)鐘同步，方便與其他系統(tǒng)進(jìn)行同步。

2. 降低功耗

• 高效率：在(V{IN}=48V)和(V{out}=5V)的條件下，峰值效率可達(dá)92%。
• 輕載效率提升：采用開關(guān)頻率調(diào)制（SFM）模式，在輕載時(shí)提高效率。
• 外部偏置輸入：外部偏置輸入可提高效率，降低功耗。
• 溫度監(jiān)測：具備芯片溫度監(jiān)測功能，可實(shí)時(shí)了解芯片工作狀態(tài)。

3. 惡劣工業(yè)環(huán)境下可靠運(yùn)行

• 過載保護(hù)：內(nèi)置打嗝模式過載保護(hù)，在過載或短路時(shí)保護(hù)芯片。
• 可編程軟啟動(dòng)：可編程軟啟動(dòng)功能，減少啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。
• 輸出電壓監(jiān)測：通過RESET/TJ引腳可監(jiān)測輸出電壓狀態(tài)。
• 可編程EN/UVLO閾值：可根據(jù)需求設(shè)置輸入欠壓鎖定閾值。
• 電磁兼容性：符合CISPR32（EN55032）Class B傳導(dǎo)和輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，降低電磁干擾。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，結(jié)溫范圍為 - 40°C至 + 150°C，適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境。

二、工作模式

1. PWM模式

在PWM模式下，電感電流允許為負(fù)，能在所有負(fù)載下提供恒定頻率的操作，適用于對開關(guān)頻率敏感的應(yīng)用。但在輕載時(shí)，其效率相對SFM模式較低。

2. SFM模式

SFM模式下，輕載時(shí)電感電流不連續(xù)，可降低開關(guān)頻率，使設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而提高輕載效率。當(dāng)負(fù)載所需的電感峰值電流小于(I_{PK - SFM})，且電感谷值電流連續(xù)32個(gè)開關(guān)周期達(dá)到零時(shí)，設(shè)備進(jìn)入SFM模式；當(dāng)負(fù)載所需的電感峰值電流超過該值時(shí)，設(shè)備退出SFM模式。此外，在SFM模式下，當(dāng)設(shè)備在每個(gè)開關(guān)周期的高阻抗?fàn)顟B(tài)持續(xù)超過7.5μs，且連續(xù)8個(gè)開關(guān)周期都是如此時(shí)，設(shè)備進(jìn)入休眠模式；當(dāng)休眠時(shí)間小于6.5μs時(shí)，設(shè)備退出休眠模式。不過，SFM模式下的輸出電壓紋波比PWM模式高，可通過調(diào)整輸出電容來達(dá)到所需的穩(wěn)態(tài)輸出電壓紋波。

三、引腳功能

1. BST引腳

用于連接自舉電容，連接一個(gè)0.1μF的陶瓷電容在BST和LX引腳之間。

2. LX引腳

開關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳，LX（Pin 2）連接到自舉電容的一端，LX（Pin 6）連接到電感的開關(guān)側(cè)。

3. IN引腳

電源輸入引腳，需要兩個(gè)0.1μF的輸入旁路電容，分別放置在IN（Pin 3）和PGND（Pin 4, 5）以及IN（Pin 9）和PGND（Pin 7, 8）之間，且輸入電容應(yīng)盡可能靠近MAX17795。

4. PGND引腳

電源接地引腳，連接到電源接地平面。

5. EN/UVLO引腳

使能/欠壓鎖定引腳，將該引腳拉高可使能設(shè)備，連接到IN和SGND引腳之間的電阻分壓器中心節(jié)點(diǎn)可設(shè)置設(shè)備開啟的輸入電壓，拉低則禁用設(shè)備。

6. EXTVCC引腳

外部偏置輸入引腳，當(dāng)輸出電壓在2.5V至24V之間時(shí)，將該引腳連接到轉(zhuǎn)換器輸出電壓節(jié)點(diǎn)可提高效率；不使用該功能時(shí)，將其連接到SGND引腳。

7. FB引腳

反饋輸入引腳，連接到輸出到SGND引腳的外部電阻分壓器的中心節(jié)點(diǎn)，用于設(shè)置輸出電壓。

8. RT引腳

開關(guān)頻率編程輸入引腳，連接一個(gè)電阻到SGND引腳可設(shè)置轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，范圍為300kHz至1.5MHz；若該引腳懸空，則默認(rèn)開關(guān)頻率為400kHz。

9. SS引腳

軟啟動(dòng)輸入引腳，連接一個(gè)電容到SGND引腳可設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間。

10. MODE/SYNC引腳

模式選擇/外部時(shí)鐘同步輸入引腳，可配置設(shè)備工作在PWM或SFM模式，也可用于將轉(zhuǎn)換器與外部時(shí)鐘同步。

11. RESET/TJ引腳

開漏狀態(tài)輸出/芯片溫度監(jiān)測輸出引腳，可用于監(jiān)測輸出電壓狀態(tài)或芯片溫度，但這兩個(gè)功能不能同時(shí)使用。

12. SGND引腳

信號接地引腳。

13. INTVCC引腳

1.8V線性穩(wěn)壓器輸出引腳，連接一個(gè)至少2.2μF的陶瓷電容到SGND引腳，該線性穩(wěn)壓器不支持INTVCC引腳的外部負(fù)載。

14. EP引腳

外露焊盤，內(nèi)部連接到IN引腳，在PCB上應(yīng)使用平面將其連接到IN引腳。

四、應(yīng)用信息

1. 輸入電容選擇

輸入濾波電容可減少從電源吸取的峰值電流，降低電路開關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。輸入電容的RMS電流要求可通過公式(I{RMS}=I{OUT(MAX)} × frac{sqrt{(V{IN}-V{OUT}) × V{OUT}}}{V{IN}})計(jì)算，當(dāng)輸入電壓等于輸出電壓的兩倍時(shí)，(I{RMS})達(dá)到最大值(I{RMS(MAX)}=frac{I{OUT(MAX)}}{2})。應(yīng)選擇在RMS輸入電流下溫度上升小于 + 10°C的輸入電容，建議使用低ESR、高紋波電流能力的陶瓷電容，如X7R電容。輸入電容的計(jì)算可使用公式(C{IN}=frac{I{OUT(MAX)} × D ×(1 - D)}{eta × f{SW} × Delta V_{IN}})，同時(shí)要考慮陶瓷電容在直流偏置電壓下的降額情況。在電源與設(shè)備輸入距離較遠(yuǎn)的應(yīng)用中，應(yīng)并聯(lián)一個(gè)合適的電解電容以提供必要的阻尼，防止因較長輸入電源路徑的電感和輸入陶瓷電容引起的振蕩。

2. 電感選擇

選擇電感時(shí)，需要確定三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：電感值（L）、電感飽和電流（(I{SAT})）和直流電阻（(R{DCR})）。電感值可根據(jù)公式(L=frac{0.45 × V{OUT}}{f{SW}})計(jì)算，應(yīng)選擇最接近計(jì)算值的電感，并選擇低損耗、尺寸合適且直流電阻盡可能低的電感。電感的飽和電流額定值應(yīng)足夠高，以確保在超過(I_{PEAK - LIMIT})時(shí)才會發(fā)生飽和。

3. 輸出電容選擇

在工業(yè)應(yīng)用中，由于X7R陶瓷輸出電容在溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定性，因此是首選。輸出電容的大小通常要能夠支持應(yīng)用中最大輸出電流40%的階躍負(fù)載，使輸出電壓偏差控制在輸出電壓的3%以內(nèi)。最小所需輸出電容可通過公式(C{OUT1}=frac{1}{2} × frac{I{STEP} × t{RESPONSE}}{Delta V{OUT}})計(jì)算，其中(t{RESPONSE} cong frac{0.35}{f{C}})。對于開關(guān)頻率小于或等于500kHz的情況，選擇(f{c})為(f{sw})的1/9；若開關(guān)頻率大于500kHz，則選擇(f{c})為60kHz。在SFM模式下，滿足特定負(fù)載下輸出電壓紋波規(guī)格所需的最小輸出電容可通過公式(C{OUT2}=frac{1}{2} × frac{L{SEL} ×(I{PK - SFM}-I{O})^{2}}{Delta V{OUT - RIPPLE}} ×(frac{1}{V{IN}-V{OUT}}+frac{1}{V{OUT}}))計(jì)算，其中(I{O})小于或等于(I{PK - SFM})的一半。最終選擇的輸出電容應(yīng)為(C{OUT1})和(C_{OUT2})中的較大值，同時(shí)要考慮陶瓷電容在直流偏置電壓下的降額情況。

4. 軟啟動(dòng)電容選擇

MAX17795通過連接在SS引腳和SGND引腳之間的電容來實(shí)現(xiàn)可調(diào)軟啟動(dòng)操作，以減少浪涌電流。最小所需軟啟動(dòng)電容可根據(jù)公式(C{SS} geq 33 × 10^{-6} × C{OUT - SEL} × V{OUT})計(jì)算，軟啟動(dòng)時(shí)間(t{SS})與連接在SS引腳的電容(C{SS})的關(guān)系為(t{SS}=frac{C_{SS}}{8.33 × 10^{-6}})。例如，要設(shè)置1ms的軟啟動(dòng)時(shí)間，應(yīng)連接一個(gè)8.2nF的電容。MAX17795的最小可編程軟啟動(dòng)時(shí)間為1ms，在啟動(dòng)過程中，設(shè)備在輸出電壓達(dá)到設(shè)定輸出標(biāo)稱電壓的95%之前以可變開關(guān)頻率運(yùn)行。

5. 設(shè)置輸入欠壓鎖定電平

MAX17795的輸入欠壓鎖定電平可通過連接在(V{IN})和SGND之間的電阻分壓器來設(shè)置，將分壓器的中心節(jié)點(diǎn)連接到EN/UVLO引腳。建議選擇(R{UVL - TOP})為3.3MΩ，然后根據(jù)公式(R{UVL - BOTTOM}=frac{R{UVL - TOP} × V{ENR}}{V{INU}-V{ENR}})計(jì)算(R{UVL - BOTTOM})，其中(V{INU})是設(shè)備需要開啟的電壓。為避免在緩慢上電（慢于軟啟動(dòng)）或斷電時(shí)出現(xiàn)打嗝現(xiàn)象，建議(V{INU})高于0.8 x (V_{OUT})。如果EN/UVLO引腳由外部信號源驅(qū)動(dòng)，建議在信號源輸出引腳和EN/UVLO引腳之間放置一個(gè)至少1kΩ的串聯(lián)電阻，以減少線路上的電壓振鈴。

6. 調(diào)整輸出電壓

可通過連接在輸出電壓節(jié)點(diǎn)（(V{OUT})）和SGND之間的電阻分壓器來設(shè)置輸出電壓，將分壓器的中心節(jié)點(diǎn)連接到FB引腳。首先根據(jù)公式(R{FB - TOP}=frac{280}{f{C} × C{OUT - SEL}})計(jì)算從輸出到FB引腳的電阻(R{FB - TOP})，然后根據(jù)公式(R{FB - BOT}=frac{R{FB - TOP} × 0.6}{V{OUT}-0.6})計(jì)算連接在FB引腳和SGND之間的電阻(R{FB - BOT})。當(dāng)器件用于SFM模式或應(yīng)用中使用動(dòng)態(tài)模式切換時(shí)，需要在(R{FB - TOP})兩端添加一個(gè)電容(C{FF})，電容值可根據(jù)公式(frac{550}{R{FB - TOP}}{FF}{FB - TOP}})計(jì)算，且(C_{FF})應(yīng)能承受輸出電壓。

7. 功耗計(jì)算

在特定工作條件下，導(dǎo)致器件溫度升高的功率損耗可通過公式(P{Loss}=P{OUT} ×(frac{1}{eta}-1)-(I{OUT}^{2} × R{DCR}))計(jì)算，其中(P{OUT}=V{OUT} × I{OUT})，(P{OUT})是輸出功率，(eta)是轉(zhuǎn)換器的效率，(R{DCR})是電感的直流電阻。在不使用芯片溫度監(jiān)測（RESET/TJ）功能時(shí)，可根據(jù)公式(T{J}=T{AMB}+(theta{JA} × P{Loss}))估算器件在任何給定最大環(huán)境溫度（(T{AMB})）下的結(jié)溫。需要注意的是，結(jié)溫超過 + 125°C會降低器件的使用壽命。

8. PCB布局指南

PCB布局對于MAX17795的性能至關(guān)重要。所有承載脈沖電流的走線應(yīng)盡可能短且寬，以降低走線電感，因?yàn)殡娏鞯母遜i/dt特性要求電感必須保持在最低水平。同時(shí)，減小電流環(huán)路面積可降低輻射EMI。在布線時(shí)，信號接地（SGND）和用于開關(guān)電流的電源接地（PGND）應(yīng)分開。此外，PCB布局還會影響設(shè)計(jì)的熱性能。具體布局建議如下：

• 輸入電容應(yīng)盡可能靠近IN和PGND引腳。
• INTVCC電容應(yīng)靠近INTVCC引腳，并將另一端連接到SGND平面。
• BST電容應(yīng)靠近BST和LX引腳。
• 電感應(yīng)盡可能靠近LX引腳，盡量減小LX引腳到電感的走線長度和面積。
• 輸出電容應(yīng)盡可能靠近電感的非開關(guān)側(cè)。
• 輸入電容和輸出電容的PGND端子應(yīng)盡可能靠近PGND引腳，并連接到PGND平面。
• RT電阻、SS電容和FB電阻應(yīng)盡可能靠近各自的引腳，并將另一端連接到SGND平面。
• 所有電源和負(fù)載連接應(yīng)盡量短，以保持電感在最低水平。
• PGND和SGND節(jié)點(diǎn)應(yīng)在開關(guān)活動(dòng)最小的點(diǎn)連接，即INTVCC旁路電容的負(fù)端。
• 在IN、PGND和LX引腳下方應(yīng)提供多個(gè)連接到大面積平面的熱過孔，以實(shí)現(xiàn)高效散熱。

五、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，包括5V輸出（400kHz和1.5MHz開關(guān)頻率）、3.3V輸出（375kHz開關(guān)頻率）和12V輸出（400kHz開關(guān)頻率）等不同情況，為工程師提供了實(shí)際設(shè)計(jì)的參考。

綜上所述，MAX17795是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，適用于工業(yè)、航空電子、重型設(shè)備、工廠和樓宇自動(dòng)化、電機(jī)控制以及通用電源等多種應(yīng)用場景。在設(shè)計(jì)過程中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇外部元件，并遵循PCB布局指南，以充分發(fā)揮MAX17795的性能優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設(shè)計(jì)。大家在使用MAX17795進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。