汽車級(jí)降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器MAX20039/MAX20040的全面解析

在汽車電子領(lǐng)域，電源管理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們就來(lái)深入探討Analog Devices推出的兩款優(yōu)秀的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器：MAX20039和MAX20040。

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一、產(chǎn)品概述

MAX20039/MAX20040是一系列小型、同步降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，集成了高端和低端開(kāi)關(guān)。其中，MAX20040能夠在2V至36V的輸入電壓范圍內(nèi)提供高達(dá)1.2A的輸出電流，且在無(wú)負(fù)載時(shí)僅消耗52μA的靜態(tài)電流。這兩款轉(zhuǎn)換器提供±2%的精確輸出電壓，通過(guò)觀察PGOOD信號(hào)可以監(jiān)控電壓質(zhì)量。

它們具有固定的5V輸出電壓，同時(shí)也支持4.0V至15V的可編程輸出范圍。開(kāi)關(guān)頻率可在220kHz至2.2MHz之間調(diào)節(jié)，這使得外部組件可以更小，輸出紋波降低，并且能保證無(wú)AM干擾。此外，MAX20040B和MAX20040D版本還提供低靜態(tài)電流（52μA）的跳過(guò)模式。這兩款轉(zhuǎn)換器采用了小型的4mm x 4mm、20引腳、可側(cè)焊TQFN封裝，并且使用的外部組件非常少。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

這兩款轉(zhuǎn)換器適用于多種汽車應(yīng)用場(chǎng)景，包括：

1. 信息娛樂(lè)系統(tǒng)：為汽車的多媒體設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。
2. 車身電子：如車燈、門鎖等系統(tǒng)的電源供應(yīng)。
3. 啟停系統(tǒng)：在發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程中，確保電源的穩(wěn)定輸出。
4. 負(fù)載點(diǎn)（PoL）電源：為特定的負(fù)載提供精確的電源。
5. 同軸供電（PoC）：滿足相關(guān)設(shè)備的供電需求。

三、產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)與特性

1. 滿足嚴(yán)格的汽車質(zhì)量和可靠性要求

• 寬輸入電壓范圍：2V至36V的工作電壓允許在冷啟動(dòng)條件下正常工作，并且能夠承受高達(dá)40V的輸入瞬態(tài)電壓。
• 高兼容性：EN引腳兼容3.3V至40V的電壓。
• 大輸出電流：MAX20039最大輸出電流為0.6A，MAX20040最大輸出電流為1.2A。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，符合AEC - Q100標(biāo)準(zhǔn)。
• 集成FET H橋架構(gòu)：提高了效率，降低了物料清單（BOM）成本和電路板空間。
• 固定輸出電壓：提供穩(wěn)定的輸出電壓。
• 20引腳SWTQFN封裝：體積小巧，便于安裝。

2. 低靜態(tài)電流

B和D版本在待機(jī)模式下靜態(tài)電流為52μA，關(guān)機(jī)模式下最大靜態(tài)電流為10μA，有助于設(shè)計(jì)師滿足嚴(yán)格的OEM電流要求。

3. 高開(kāi)關(guān)頻率

• 寬頻率范圍：200kHz至2.2MHz的工作頻率允許使用小型外部組件。
• 跳過(guò)模式：B和D版本支持跳過(guò)模式，實(shí)現(xiàn)高效的低功耗運(yùn)行。
• 固定頻率PWM模式：保證輸出的穩(wěn)定性。
• 外部頻率同步：可與外部時(shí)鐘同步，減少EMI輻射。
• 可啟用或禁用擴(kuò)頻：進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)頻率下的EMI輻射。

四、電氣特性

1. 絕對(duì)最大額定值

各項(xiàng)引腳的電壓范圍都有明確的規(guī)定，例如IN引腳的電壓范圍為 - 0.3V至 + 40V，EN、LX1引腳的電壓范圍為 - 0.3V至VIN + 0.3V等。同時(shí)，還給出了連續(xù)功率耗散、工作溫度范圍、結(jié)溫、存儲(chǔ)溫度范圍、焊接溫度等參數(shù)。

2. 推薦工作條件

環(huán)境溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C。

3. 電氣參數(shù)

包括輸入電壓范圍、關(guān)機(jī)電源電流、待機(jī)電源電流、欠壓鎖定、輸出電壓壓降、短路電流限制、固定輸出電壓、輸出電壓可調(diào)范圍、軟啟動(dòng)斜坡時(shí)間、自動(dòng)重試時(shí)間、最小導(dǎo)通時(shí)間、最小關(guān)斷時(shí)間、死區(qū)時(shí)間、開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻、漏電流、電流感測(cè)、誤差放大器、開(kāi)關(guān)頻率、輸出監(jiān)控、PGOOD閾值、邏輯輸入、熱關(guān)斷等參數(shù)。

五、典型工作特性

文檔中給出了多個(gè)典型工作特性圖，包括待機(jī)靜態(tài)電流與電源電壓的關(guān)系、關(guān)機(jī)電流與輸入電壓的關(guān)系、最大負(fù)載電流與輸入電壓的關(guān)系、線路調(diào)節(jié)、負(fù)載調(diào)節(jié)、效率與負(fù)載電流的關(guān)系、效率與輸入電壓的關(guān)系、擴(kuò)頻分析、負(fù)載階躍響應(yīng)等。這些特性圖可以幫助工程師更好地了解轉(zhuǎn)換器在不同條件下的性能。

六、引腳配置與功能

1. 引腳配置

MAX20039/MAX20040采用20引腳SWTQFN封裝，每個(gè)引腳都有特定的功能。例如，PGND2是升壓低端集成FET的接地參考；LX1是IN到PGND的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)；BST1是LX1節(jié)點(diǎn)高端驅(qū)動(dòng)器的自舉電容引腳等。

2. 引腳功能

• 線性調(diào)節(jié)器輸出（VCC）：為內(nèi)部電路塊提供4.6V的電源，需要連接一個(gè)2.2μF的陶瓷電容到AGND。
• 寬輸入電壓范圍：IN引腳的輸入電壓范圍為3.5V至36V，啟動(dòng)條件滿足后可在2V至36V范圍內(nèi)工作。
• 同步輸入（FSYNC）：用于操作模式選擇和頻率控制，連接到BIAS或外部時(shí)鐘可實(shí)現(xiàn)固定頻率、強(qiáng)制PWM操作，連接到AGND可啟用跳過(guò)模式。
• 電源良好輸出（PGOOD）：當(dāng)VOUT高于其調(diào)節(jié)電壓的96%時(shí)，PGOOD置位；當(dāng)VOUT低于其調(diào)節(jié)電壓的93%時(shí)，PGOOD復(fù)位。
• 擴(kuò)頻選項(xiàng)：通過(guò)SPS引腳啟用擴(kuò)頻，工作頻率會(huì)在fOSC中心上下變化±3%。
• 內(nèi)部振蕩器（FSW）：通過(guò)連接到AGND的電阻（RFSW）設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率。
• 過(guò)溫保護(hù)：當(dāng)結(jié)溫超過(guò) + 166°C（典型值）時(shí)，內(nèi)部熱傳感器會(huì)關(guān)閉內(nèi)部偏置調(diào)節(jié)器和降壓轉(zhuǎn)換器，結(jié)溫下降18°C后重新開(kāi)啟。
• 輕載操作：在輕載時(shí)，當(dāng)FSYNC連接到AGND且轉(zhuǎn)換器處于降壓區(qū)域時(shí)，設(shè)備會(huì)跳過(guò)周期以保持高效率，進(jìn)入PFM模式。
• 軟啟動(dòng)：固定頻率輔助振蕩器確定軟啟動(dòng)時(shí)間，所有輸出電壓和頻率的軟啟動(dòng)時(shí)間典型值為7ms。
• 過(guò)壓保護(hù)：采用逐周期過(guò)壓保護(hù)，當(dāng)輸出電壓高于調(diào)節(jié)值的108%（典型值）時(shí)，降壓高端開(kāi)關(guān)和升壓低端開(kāi)關(guān)關(guān)閉，直到輸出電壓低于調(diào)節(jié)值的105%（典型值）。
• 短路保護(hù)：持續(xù)監(jiān)控DH1電流，若輸入電流連續(xù)16次達(dá)到峰值電流限制且輸出電壓低于調(diào)節(jié)值的60%，設(shè)備停止開(kāi)關(guān)并進(jìn)入打嗝模式，自動(dòng)重試時(shí)間典型值為26ms。

七、應(yīng)用信息

1. 電感選擇

電感的設(shè)計(jì)需要在轉(zhuǎn)換器的尺寸、效率、控制、帶寬和穩(wěn)定性之間進(jìn)行權(quán)衡。對(duì)于降壓 - 升壓應(yīng)用，選擇合適的電感值尤為關(guān)鍵，因?yàn)樵谏龎汉徒祲?- 升壓模式中存在右半平面（RHP）零點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，電感電流紋波為最大電感電流的40%是速度和效率之間的良好折衷。

2. 輸入電容設(shè)計(jì)

輸入電容用于減少?gòu)碾娫醇橙〉姆逯惦娏?，降低電路開(kāi)關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。在降壓模式下，輸入電容應(yīng)能處理輸入RMS電流。

3. 輸出電容設(shè)計(jì)

計(jì)算“深度”升壓模式下的最壞情況最小輸出電容，輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）要足夠低，以滿足輸出紋波和負(fù)載瞬態(tài)要求。

4. 輸出電壓設(shè)置

將FB連接到VCC可啟用預(yù)設(shè)的5V固定輸出電壓；要在4V至15V之間外部調(diào)節(jié)輸出電壓，需要連接一個(gè)電阻分壓器。

5. 誤差放大器補(bǔ)償設(shè)計(jì)

MAX20040使用內(nèi)部跨導(dǎo)放大器，通過(guò)外部頻率補(bǔ)償來(lái)優(yōu)化性能。設(shè)計(jì)外部補(bǔ)償需要一些迭代，以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)。

八、PCB布局指南

1. 散熱設(shè)計(jì)：在器件封裝下方使用大面積連續(xù)銅平面，確保所有散熱組件有足夠的散熱空間，將器件底部焊盤焊接到銅平面以實(shí)現(xiàn)有效散熱。
2. 信號(hào)隔離：將功率組件和高電流路徑與敏感的模擬電路隔離，防止噪聲耦合到模擬信號(hào)中。
3. 縮短高電流路徑：特別是在接地端子處，保持高電流路徑短，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、無(wú)抖動(dòng)的操作。
4. 縮短功率走線和負(fù)載連接：使用厚銅PCB提高滿載效率。
5. 避免干擾：將模擬信號(hào)線遠(yuǎn)離高頻平面，確保反饋到器件的敏感信號(hào)的完整性。
6. 接地設(shè)計(jì)：模擬和功率部分的接地連接應(yīng)靠近器件，保持接地電流回路最小。

九、訂購(gòu)信息

文檔提供了詳細(xì)的訂購(gòu)信息，包括不同型號(hào)的引腳封裝、輸出電壓可調(diào)范圍、開(kāi)關(guān)頻率、輸入電壓范圍、默認(rèn)輸出電壓、輸出電流、電流限制、工作模式等。

十、總結(jié)

MAX20039/MAX20040是兩款性能卓越的汽車級(jí)降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，具有寬輸入電壓范圍、低靜態(tài)電流、高開(kāi)關(guān)頻率、多種保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求選擇合適的型號(hào)，并按照PCB布局指南進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保轉(zhuǎn)換器的性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，對(duì)于電感、電容等外部組件的選擇和設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，需要仔細(xì)計(jì)算和優(yōu)化。大家在使用過(guò)程中有沒(méi)有遇到過(guò)什么問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。