汽車級40V、2.2MHz H橋降壓 - 升壓控制器MAX25431的設(shè)計與應(yīng)用

在汽車電子應(yīng)用中，電源管理是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天我們要探討的是Maxim Integrated推出的一款高性能電源控制器——MAX25431，它是一款汽車級40V、2.2MHz的H橋降壓 - 升壓控制器，適用于多種汽車和工業(yè)應(yīng)用場景。

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一、MAX25431概述

1. 基本特性

MAX25431是一款電流模式的降壓 - 升壓控制器，輸入電壓范圍為6V至36V，可承受高達(dá)40V的輸入瞬態(tài)電壓。其開關(guān)頻率可通過電阻在220kHz至2.2MHz之間進(jìn)行編程，還能與外部時鐘同步。輸出電壓有5V固定輸出和3V至25V可調(diào)輸出兩種選擇。

2. 應(yīng)用場景

該控制器適用于USB集線器、多媒體集線器、專用充電模塊以及后座娛樂模塊等應(yīng)用。

3. 優(yōu)勢特點

• 符合汽車質(zhì)量和可靠性要求：工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，經(jīng)過AEC - 100認(rèn)證，EN引腳兼容 + 3.3V至 + 40V。
• 高效小尺寸解決方案：固定5V輸出電壓和3V至25V可調(diào)輸出，高開關(guān)頻率允許使用小尺寸外部組件，采用4mm x 4mm 24引腳TQFN - EP SW封裝。
• 低靜態(tài)電流：關(guān)機(jī)時靜態(tài)電流最大為10μA，有助于滿足OEM嚴(yán)格的電流要求。
• EMI抑制：工作頻率為220kHz至2.2MHz，采用固定頻率PWM模式和擴(kuò)頻技術(shù)，滿足CISPR25 Class 5要求。

二、電氣特性分析

1. 輸入輸出特性

• 輸入電壓范圍：正常工作時輸入電壓范圍為6V至36V，啟動時VSUP上升必須越過6.7V。
• 輸出電壓：固定輸出電壓為5V（誤差范圍4.9V至5.1V），可調(diào)輸出范圍為3V至25V。

2. 保護(hù)特性

• 過流保護(hù)：采用逐周期電流限制，持續(xù)過載時進(jìn)入打嗝模式。
• 欠壓鎖定：輸入欠壓鎖定（UVLO），VIN_UVLO_R上升閾值為6.5V至6.7V，VIN_UVLO_F下降閾值為5.8V至6.0V。
• 過壓保護(hù)：輸出過壓保護(hù)，檢測到輸出電壓超過調(diào)節(jié)值的108%（典型值）時，關(guān)閉降壓高端開關(guān)和升壓低端開關(guān)。
• 熱關(guān)斷：結(jié)溫超過170°C（典型值）時，內(nèi)部熱傳感器關(guān)閉內(nèi)部偏置調(diào)節(jié)器和降壓轉(zhuǎn)換器，溫度下降20°C后自動恢復(fù)。

3. 頻率特性

• 開關(guān)頻率：可通過連接在FSW和AGND之間的電阻設(shè)置，例如RFSW = 73.2kΩ時，開關(guān)頻率為420kHz。
• 同步功能：FSYNC引腳可用于同步外部時鐘，外部時鐘頻率可低于內(nèi)部時鐘20%，設(shè)備在兩個周期內(nèi)同步到外部時鐘。

三、關(guān)鍵組件設(shè)計

1. 電感選擇

電感的設(shè)計需要在尺寸、效率、控制帶寬和穩(wěn)定性之間進(jìn)行權(quán)衡。對于降壓 - 升壓應(yīng)用，由于升壓和降壓 - 升壓模式中存在右半平面（RHP）零點，選擇合適的電感值尤為關(guān)鍵。可根據(jù)電感電流紋波作為最大電感電流的百分比，通過以下公式計算： [L{BUCK }>frac{left(V{INMAX }-V{OUTMIN }right) cdot D{BUCKMIN }}{f{SW} cdot Delta I{L}}] [L{BOOST }>frac{V{IN MIN } cdot D{BOOST MAX }}{f{SW } cdot Delta I{L} cdot V_{IN_MIN }}] 選擇LBUCK和LBOOST中的最大值，并考慮電感的紋波、降額和RHP零點，最終選擇飽和電流比峰值電感電流大約20%的電感。

2. 輸入電容設(shè)計

輸入電容用于減少從電源汲取的峰值電流，最小化電路開關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。在降壓模式下，輸入電流是不連續(xù)的，具有最大紋波?？筛鶕?jù)以下公式計算輸入電容： [C{IN }>frac{0.25 cdot I{OUTMAX }}{f{SW} cdot Delta V_{INMAX } cdotleft(1-left(C{INTOL }+C{IN_DCBIAS }right)right.}] 建議選擇能夠承受工作頻率下給定RMS電流的電容，可采用電解電容和陶瓷電容的組合，以實現(xiàn)目標(biāo)規(guī)格并降低成本。

3. 輸出電容設(shè)計

輸出電容的選擇要滿足輸出負(fù)載瞬態(tài)要求。在負(fù)載階躍時，輸出電流幾乎瞬間變化，而電感反應(yīng)較慢，此時負(fù)載電荷需求由輸出電容提供，會導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)下沖/過沖。可根據(jù)以下公式計算輸出電容： [C{OUT } geq frac{L × Delta I{LSTEP }^{2}}{2 × V_{SUPMIN } × D{MAX } × V{UNDER }}+frac{left(Delta I{LSTEP } × Delta t{DELAY }right)}{V{UNDER }}] 選擇能夠處理深度升壓模式下負(fù)載瞬態(tài)的輸出電容。

4. 電流感測電阻選擇

MAX25431使用兩個外部電流感測電阻進(jìn)行電感電流控制和電流限制。輸入電流感測電阻用于設(shè)置峰值電流限制和PFM電流限制，輸出電流感測信息用于失控電流限制。可根據(jù)以下公式計算電流感測電阻： [R{CS 1}=frac{50 mV}{LIM}] [R{CS 2}=frac{75 mV}{I_{LIM-RUNAWAY }}]

5. 斜率補(bǔ)償

由于電流模式控制存在固有不穩(wěn)定性，通常需要外部斜率補(bǔ)償?？赏ㄟ^在SLP引腳和AGND之間連接電阻來設(shè)置斜率補(bǔ)償，計算公式為： [R{SLOPE }=frac{1.25 V × 0.09}{V{p 2 p}} × frac{1}{8 pF × f_{SW}}]

6. 誤差放大器補(bǔ)償設(shè)計

MAX25431使用內(nèi)部跨導(dǎo)放大器，其反相輸入和輸出端子可供用戶進(jìn)行外部頻率補(bǔ)償。設(shè)計外部補(bǔ)償需要進(jìn)行一些迭代以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計，通常在最小輸入電壓和重載（深度升壓模式）下進(jìn)行設(shè)計，使帶寬接近RHP零點頻率的1/4。

7. 外部MOSFET選擇

MAX25431的H橋降壓 - 升壓架構(gòu)需要四個外部MOSFET。在降壓模式下，Qt2保持導(dǎo)通，Qb2保持關(guān)斷；在升壓模式下，Qt1保持導(dǎo)通，Qb1保持關(guān)斷。MOSFET的選擇應(yīng)基于導(dǎo)通電阻、擊穿電壓、輸出電容和輸入電容等關(guān)鍵參數(shù)。

8. 升壓電容和二極管選擇

升壓電容用于為高端開關(guān)的浮動?xùn)艠O提供柵極電荷，其電容值應(yīng)選擇使得放電期間的電壓降在可接受范圍內(nèi)。升壓二極管的選擇應(yīng)基于平均柵極驅(qū)動電流和二極管的阻斷電壓。

四、PCB布局指南

• 元件布局：將高功率組件緊湊布局，遠(yuǎn)離電流感測和柵極驅(qū)動等敏感信號，避免雜散噪聲拾取。
• 電容和電阻放置：將輸入電容和輸入電流感測電阻靠近輸入MOSFET，輸出電容和輸出電流感測電阻靠近輸出MOSFET，以形成小的交流電流環(huán)路，改善EMI和噪聲性能。
• 開關(guān)節(jié)點處理：開關(guān)節(jié)點（LX1和LX2）承載高頻、大電流開關(guān)信號，應(yīng)減小其面積以減少寄生電感，同時在散熱和噪聲抑制之間進(jìn)行權(quán)衡。
• 電流感測電阻連接：使用開爾文感測連接電流感測電阻，并將感測跡線靠近彼此，遠(yuǎn)離其他噪聲跡線。
• 柵極連接：使用短而粗的跡線進(jìn)行柵極連接，避免柵極振鈴。
• 接地處理：使用內(nèi)部PCB層作為接地平面，增加多個過孔以改善整體接地連接。將PGND和AGND引腳直接連接到IC下方的暴露焊盤，將暴露焊盤焊接到大面積銅平面以進(jìn)行散熱。
• 偏置電容放置：將偏置電容靠近設(shè)備，減少偏置電流環(huán)路，降低偏置噪聲。

五、總結(jié)

MAX25431作為一款高性能的汽車級降壓 - 升壓控制器，具有廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計過程中，需要綜合考慮各個組件的選擇和PCB布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、效率和可靠性。希望本文能為電子工程師在使用MAX25431進(jìn)行設(shè)計時提供一些有益的參考。大家在實際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)交流討論。