MAX17112：高性能升壓型DC - DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，高性能的DC - DC轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天我們要深入探討的是MAXIM公司的MAX17112，一款專為有源矩陣薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器（LCD）提供穩(wěn)壓電源的高性能升壓型DC - DC轉(zhuǎn)換器。

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一、產(chǎn)品概述

MAX17112采用電流模式、固定頻率（1MHz）的脈沖寬度調(diào)制（PWM）電路，內(nèi)置n溝道功率MOSFET，具備高效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)的特點(diǎn)。其輸入過(guò)壓保護(hù)（OVP）功能可防止高達(dá)24V的輸入浪涌電壓對(duì)芯片造成損壞。高開關(guān)頻率允許使用超小型電感和低ESR陶瓷電容，電流模式架構(gòu)則能對(duì)脈沖負(fù)載實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)。補(bǔ)償引腳（COMP）為用戶調(diào)整環(huán)路動(dòng)態(tài)提供了靈活性，內(nèi)部MOSFET可在2.6V至5.5V的輸入電壓下產(chǎn)生高達(dá)20V的輸出電壓。此外，軟啟動(dòng)功能可通過(guò)外部電容編程，緩慢提升輸入電流。該芯片采用10引腳TDFN封裝。

二、產(chǎn)品特性與應(yīng)用

特性

1. 輸入過(guò)壓保護(hù)：有效抵御輸入浪涌電壓，保護(hù)芯片安全。
2. 可調(diào)輸出電壓：輸出電壓可在VIN至20V之間調(diào)節(jié)，滿足不同應(yīng)用需求。
3. 寬輸入電源范圍：2.6V至5.5V的輸入電源范圍，適用性廣泛。
4. 輸入電源欠壓鎖定：確保輸入電壓足夠高時(shí)芯片才能可靠運(yùn)行。
5. 固定開關(guān)頻率：1MHz的固定開關(guān)頻率，便于電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
6. 可編程軟啟動(dòng)：通過(guò)外部電容實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，減少浪涌電流。
7. 小封裝尺寸：10引腳TDFN封裝，節(jié)省電路板空間。
8. 熱過(guò)載保護(hù)：防止芯片因過(guò)熱而損壞。

應(yīng)用

主要應(yīng)用于筆記本電腦顯示器和LCD監(jiān)視器面板等領(lǐng)域。

三、電氣特性

絕對(duì)最大額定值

包括輸入電壓、電流、功率耗散、溫度等參數(shù)的極限值，超出這些范圍可能會(huì)對(duì)芯片造成永久性損壞。例如，LX引腳到地的電壓范圍為 - 0.3V至 + 24V，連續(xù)功率耗散在TA = + 70°C時(shí)為951mW（高于 + 70°C時(shí)以24.4mW/°C的速率降額）等。

電氣參數(shù)

在不同溫度和輸入條件下，芯片的各項(xiàng)電氣參數(shù)有明確的規(guī)定。如輸出電壓范圍、輸出開關(guān)電阻、VL欠壓鎖定閾值、靜態(tài)電流、誤差放大器參數(shù)、振蕩器頻率和最大占空比等。這些參數(shù)為電路設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

四、典型工作特性

通過(guò)一系列圖表展示了芯片在不同輸入電壓、輸出電壓和負(fù)載電流下的效率、負(fù)載調(diào)節(jié)、開關(guān)頻率、軟啟動(dòng)、電源電流、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和開關(guān)波形等特性。例如，在VIN = 3.3V、VOUT = 9V的條件下，效率隨負(fù)載電流的變化曲線；在VOUT = 15V時(shí)，負(fù)載調(diào)節(jié)率與負(fù)載電流的關(guān)系等。這些特性曲線有助于工程師了解芯片在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)，從而進(jìn)行合理的電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

五、引腳描述

詳細(xì)介紹了各個(gè)引腳的功能和使用方法。例如，COMP引腳是誤差放大器的補(bǔ)償引腳，需連接一個(gè)串聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)到地；FB引腳用于反饋電壓；LX引腳是內(nèi)部MOSFET的漏極；IN引腳是電源電壓輸入，需使用至少1μF的陶瓷電容直接旁路到地；SHDN引腳是關(guān)斷控制輸入，高電平使能芯片；SS引腳是軟啟動(dòng)控制，可連接軟啟動(dòng)電容等。

六、詳細(xì)工作原理

整體架構(gòu)

MAX17112采用電流模式、固定頻率的PWM架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)和低噪聲運(yùn)行。誤差放大器將FB引腳的信號(hào)與1.24V進(jìn)行比較，調(diào)整COMP輸出電壓，從而確定內(nèi)部MOSFET每次導(dǎo)通時(shí)的電流跳閘點(diǎn)。為了在高占空比下保持穩(wěn)定性，會(huì)將斜率補(bǔ)償信號(hào)與電流檢測(cè)信號(hào)相加。在輕負(fù)載時(shí)，芯片可以跳過(guò)一些周期，防止輸出電容過(guò)充。

輸出電流能力

輸出電流能力取決于電流限制、輸入電壓、工作頻率和電感值。由于使用了斜率補(bǔ)償來(lái)穩(wěn)定反饋環(huán)路，電感電流限制與占空比有關(guān)。通過(guò)特定的公式可以計(jì)算出電流限制和輸出電流能力。

軟啟動(dòng)

通過(guò)外部電容可對(duì)軟啟動(dòng)功能進(jìn)行編程。當(dāng)關(guān)斷引腳SHDN置高時(shí)，軟啟動(dòng)電容（CSS）立即充電至0.4V，然后以4μA的恒定電流充電。在軟啟動(dòng)過(guò)程中，SS電壓直接控制電感峰值電流周期，當(dāng)VSS = 1.5V時(shí)，達(dá)到全電流限制，軟啟動(dòng)完成后可提供最大負(fù)載電流。當(dāng)SHDN置低時(shí)，SS引腳放電至地。

過(guò)壓保護(hù)（OVP）

芯片集成了OVP電路，當(dāng)IN引腳電壓低于6.6V（典型值）時(shí)，IN和VL之間的內(nèi)部開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)IN引腳電壓超過(guò)6.6V（典型值）時(shí)，開關(guān)斷開，從而保護(hù)芯片免受過(guò)高輸入電壓的損壞。

欠壓鎖定（UVLO）

UVLO電路將VL引腳的電壓與2.45V（典型值）進(jìn)行比較，確保輸入電壓足夠高以實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。50mV（典型值）的遲滯可防止電源瞬變導(dǎo)致芯片重啟。當(dāng)VL電壓超過(guò)UVLO上升閾值時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程開始；當(dāng)輸入電壓低于UVLO下降閾值時(shí)，主升壓調(diào)節(jié)器關(guān)閉。

啟動(dòng)方式

可通過(guò)在SHDN引腳施加高電壓來(lái)使能芯片，有兩種方式實(shí)現(xiàn)：一是將SHDN引腳連接到外部電容，內(nèi)部5μA電流源對(duì)電容充電，當(dāng)電壓超過(guò)1.24V時(shí)，芯片啟動(dòng)；二是直接向SHDN引腳施加邏輯高電平信號(hào)，但需在邏輯信號(hào)和SHDN引腳之間插入一個(gè)10kΩ的電阻進(jìn)行保護(hù)。

七、外部元件選擇

電感選擇

選擇電感時(shí)需要考慮最小電感值、峰值電流額定值和串聯(lián)電阻等因素，這些因素會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的效率、最大輸出負(fù)載能力、瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間和輸出電壓紋波。同時(shí)，物理尺寸和成本也是重要的考慮因素。通過(guò)特定的公式可以計(jì)算出近似的電感值，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇合適的電感。此外，還需要計(jì)算最大直流輸入電流、紋波電流和峰值電流，確保電感的飽和電流額定值和MAX17112的LX電流限制（ILIM）超過(guò)峰值電流，電感的直流電流額定值超過(guò)最大直流輸入電流。

輸出電容選擇

總輸出電壓紋波由電容紋波和歐姆紋波組成，電容紋波是由輸出電容的充放電引起的，歐姆紋波是由電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）引起的。選擇輸出電容時(shí)需要考慮電壓額定值和溫度特性，對(duì)于陶瓷電容，輸出電壓紋波通常由電容紋波主導(dǎo)。

輸入電容選擇

輸入電容（CIN）可減少?gòu)妮斎腚娫醇橙〉碾娏鞣逯?，并減少對(duì)芯片的噪聲注入。在實(shí)際應(yīng)用中，由于升壓調(diào)節(jié)器通常直接從另一個(gè)穩(wěn)壓電源的輸出運(yùn)行，實(shí)際的源阻抗通常較低，因此CIN的值可以適當(dāng)減小。同時(shí)，需要確保IN引腳有低噪聲電源供應(yīng)，可通過(guò)使用足夠的CIN或采用RC低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

整流二極管選擇

由于MAX17112的高開關(guān)頻率，需要使用高速整流二極管。肖特基二極管因其快速恢復(fù)時(shí)間和低正向電壓而被推薦用于大多數(shù)應(yīng)用。二極管的額定值應(yīng)能夠承受輸出電壓和峰值開關(guān)電流，確保其峰值電流額定值至少為電感選擇部分計(jì)算出的IPEAK，并且其擊穿電壓超過(guò)輸出電壓。

輸出電壓選擇

MAX17112的輸出電壓可在VIN至20V之間調(diào)節(jié)，通過(guò)連接一個(gè)電阻分壓器從輸出（VMAIN）到地，并將中心抽頭連接到FB引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。選擇R3的阻值在10kΩ至50kΩ之間，通過(guò)特定的公式計(jì)算R4的值。

環(huán)路補(bǔ)償

選擇RCOMP來(lái)設(shè)置高頻積分器增益，以實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)；選擇CCOMP來(lái)設(shè)置積分器零點(diǎn)，以保持環(huán)路穩(wěn)定性。對(duì)于低ESR輸出電容，可使用特定的公式來(lái)獲得穩(wěn)定的性能和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。為了進(jìn)一步優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)，可以在觀察瞬態(tài)響應(yīng)波形的同時(shí)，以20%的步長(zhǎng)調(diào)整RCOMP，以50%的步長(zhǎng)調(diào)整CCOMP。

軟啟動(dòng)電容

軟啟動(dòng)電容應(yīng)足夠大，以確保在輸出達(dá)到穩(wěn)定之前不會(huì)達(dá)到最終值。通過(guò)特定的公式可以計(jì)算出CSS的值，負(fù)載需要等待軟啟動(dòng)周期結(jié)束后才能開始汲取大量負(fù)載電流。軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間由CSS的值決定。

八、PCB布局和接地

PCB布局對(duì)于芯片的正常運(yùn)行至關(guān)重要。以下是一些PCB布局的指導(dǎo)原則：

1. 最小化高電流環(huán)路面積：將電感、輸出二極管和輸出電容靠近輸入電容以及LX和GND引腳放置，使用短而寬的連接，避免在高電流路徑中使用過(guò)孔。如果無(wú)法避免使用過(guò)孔，應(yīng)使用多個(gè)過(guò)孔并聯(lián)以降低電阻和電感。
2. 創(chuàng)建接地島：創(chuàng)建一個(gè)由輸入和輸出電容接地以及GND引腳組成的功率接地島（PGND），使用短而寬的走線或小接地平面將它們連接在一起。同時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)由反饋分壓器接地連接、COMP和SS電容接地連接以及芯片暴露的背面焊盤組成的模擬接地平面（AGND），通過(guò)將GND引腳直接連接到暴露的背面焊盤來(lái)連接AGND和PGND島，避免在這兩個(gè)單獨(dú)的接地平面之間進(jìn)行其他連接。
3. 靠近反饋引腳放置電阻：將反饋電壓分壓器電阻盡可能靠近反饋引腳放置，保持分壓器的中心走線短，避免反饋?zhàn)呔€靠近LX或電荷泵中的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。
4. 靠近芯片放置旁路電容：將IN和VL引腳的旁路電容盡可能靠近芯片放置，將它們的接地連接直接通過(guò)寬走線連接到AGND。
5. 優(yōu)化輸出電容與負(fù)載之間的走線：最小化輸出電容與負(fù)載之間的走線長(zhǎng)度，并最大化走線寬度，以獲得最佳的瞬態(tài)響應(yīng)。
6. 處理LX節(jié)點(diǎn)：最小化LX節(jié)點(diǎn)的尺寸，同時(shí)保持其寬而短，避免LX節(jié)點(diǎn)靠近反饋節(jié)點(diǎn)和模擬接地。如有必要，可使用直流走線作為屏蔽。

九、總結(jié)

MAX17112是一款性能出色的升壓型DC - DC轉(zhuǎn)換器，具有多種優(yōu)秀特性和功能。在設(shè)計(jì)使用該芯片的電路時(shí)，需要綜合考慮各個(gè)方面的因素，包括電氣特性、外部元件選擇、PCB布局和接地等。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以充分發(fā)揮MAX17112的性能優(yōu)勢(shì)，為電子設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。希望本文能為電子工程師在使用MAX17112進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在使用類似芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。