MAX20048：汽車應用中的高效H橋降壓-升壓控制器

在汽車電子領域，電源管理至關重要，而一款性能出色的降壓 - 升壓控制器能為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供堅實保障。今天我們就來深入了解一下Analog Devices推出的MAX20048，這是一款專為汽車應用設計的40V、55μA IQ、2.2MHz H橋降壓 - 升壓控制器。

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一、器件概述

MAX20048是一款電流模式的降壓 - 升壓控制器，具有諸多出色特性。它能在4.5V至36V的輸入電壓下正常工作，且在無負載時僅消耗55μA的靜態(tài)電流。當啟動條件滿足后，其輸入電壓范圍可擴展至2V至36V。開關頻率可通過電阻在220kHz至2.2MHz之間進行編程，還能與外部時鐘同步。輸出電壓有5V固定輸出和4V至25V可調輸出兩種選擇。這種寬輸入電壓范圍以及在電池瞬變期間保持恒定輸出電壓的能力，使其非常適合汽車應用。

二、關鍵特性與優(yōu)勢

2.1 滿足汽車嚴格要求

• 寬電壓工作范圍：工作輸入電壓范圍為2V至36V，能適應冷啟動等極端條件。同時可耐受高達40V的輸入瞬變電壓，EN引腳兼容 +3.3V至 +40V的電壓，工作溫度范圍為 - 40°C至 +125°C，且通過了AEQ - 100認證，充分滿足汽車應用對質量和可靠性的嚴格要求。
• 小尺寸高效解決方案：采用4mm x 4mm、24引腳的TQFN - EP SW封裝，在小尺寸下實現(xiàn)高效穩(wěn)定的電源轉換。在輕負載應用中，可通過邏輯輸入（FSYNC）選擇跳過模式以降低電流消耗，或選擇固定頻率、強制PWM模式以消除頻率變化并減少EMI。

2.2 低靜態(tài)電流

• 在待機模式下靜態(tài)電流僅為55μA，關機模式下最大靜態(tài)電流為10μA，有助于設計師滿足OEM對電流的嚴格要求。

2.3 EMI抑制

• 工作頻率范圍為220kHz至2.2MHz，支持固定頻率PWM模式、外部頻率同步或SYNC OUT功能（可通過OTP選項選擇），還能通過OTP選項啟用或禁用擴頻功能，以滿足CISP25 Class 5的EMI要求。

三、電氣特性詳解

3.1 輸入輸出特性

• 輸入電壓范圍：正常工作時為4.5V至36V，啟動條件滿足后可低至2V。
• 輸出電壓：固定輸出為5V（誤差在4.9V至5.1V之間），可調范圍為4V至25V。

3.2 電流與電壓特性

• 靜態(tài)電流：關機時最大為10μA，待機時典型值為55μA。
• 欠壓鎖定：輸入電壓上升時UVLO閾值為4.2V至4.45V，下降時為1.95V。
• VCC調節(jié)器：輸出電壓為5V，壓差典型值為0.1V，短路電流限制為100mA。

3.3 開關頻率與控制特性

• 開關頻率：可通過電阻編程，如RFSW = 12kΩ時為2.2MHz，RFSW = 73.2kΩ時為420kHz，范圍為0.220MHz至2.2MHz。
• 同步特性：FSYNC可與外部時鐘同步，最小同步脈沖寬度為100ns，可設置內部時鐘頻率的80%至100%。

四、功能與工作模式

4.1 工作模式切換

• MAX20048根據(jù)輸入和輸出電壓自動在降壓或升壓模式之間無縫切換，以保持恒定的輸出電壓。其采用峰值電流模式控制環(huán)路，通過外部電流檢測電阻感應電感電流，并可通過外部電阻設置電流環(huán)路的斜率補償。

4.2 同步輸入（FSYNC）

• 該引腳用于操作模式選擇和頻率控制。連接到VCC或外部時鐘可啟用固定頻率、強制PWM操作；連接到AGND或浮空則啟用跳過模式。外部時鐘頻率可低于內部時鐘20%，且設備能在兩個周期內與外部時鐘同步。

4.3 輕負載操作

• 當FSYNC連接到AGND且設備處于降壓區(qū)域時，在輕負載下會開始跳過周期以提高效率。檢測到電感電流連續(xù)16次過零后進入PFM模式，此時電感電流峰值限制變?yōu)?0mV（典型值），并防止電感電流為負。

4.4 電源就緒輸出（PGOOD）

• 該引腳為開漏輸出，當輸出電壓上升到其調節(jié)電壓的95%以上時置高，下降到92%以下時置低。使用時需連接一個10kΩ的上拉電阻到VCC。

4.5 軟啟動

• 由固定頻率輔助振蕩器確定軟啟動時間，所有輸出電壓和頻率的軟啟動時間典型值為6.5ms。

4.6 擴頻選項

• 可通過OTP選項啟用擴頻功能，啟用后工作頻率將在FSW中心值 ±3%范圍內變化，調制信號為三角波，周期根據(jù)工作頻率成比例變化。若設備與外部時鐘同步，則內部擴頻功能禁用。

五、保護特性

5.1 過壓保護

• 具備逐周期過壓保護功能，當輸出電壓超過調節(jié)值的108%（典型值）時，降壓高端開關（Qt1）和升壓低端開關（Qb2）關閉，直到輸出電壓降至調節(jié)值的106%（典型值）以下。

5.2 短路保護

• 采用兩個獨立的電流檢測信號實現(xiàn)快速可靠的短路保護。輸入側電流檢測電阻設置逐周期峰值電流限制，若輸入電流連續(xù)16次達到峰值電流限制且輸出電壓低于調節(jié)值的60%，設備停止切換并進入打嗝模式，重試時間典型值為26ms。輸出側電流檢測電阻設置失控電流限制，若輸出電流達到該限制且輸出電壓低于調節(jié)值的60%，設備同樣進入打嗝模式。

5.3 過溫保護

• 當結溫超過 +170°C（典型值）時，內部熱傳感器關閉內部偏置調節(jié)器和降壓轉換器，使IC冷卻。當結溫下降20°C后，熱傳感器重新開啟IC。

六、應用設計要點

6.1 電感選擇

• 電感設計需在轉換器的尺寸、效率、控制帶寬和穩(wěn)定性之間進行權衡。對于降壓 - 升壓應用，由于在升壓和降壓 - 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鍵。一般可根據(jù)降壓模式下電感電流紋波占最大電感電流的百分比來初步選擇電感值，通常30%的紋波是速度和效率的較好折衷。最終電感值需考慮兩個工作區(qū)域的紋波和RHP零點。選擇時要確保電感的飽和電流比峰值電感電流大約20%，且具有低DCR。

6.2 輸入輸出電容設計

• 輸入電容：主要作用是降低從電源汲取的峰值電流，減少電路開關引起的輸入噪聲和電壓紋波。在降壓模式下，輸入電流不連續(xù)且紋波最大，需根據(jù)RMS電流公式選擇能承受相應電流的電容。陶瓷電容ESR極低，有助于降低輸入電壓的峰 - 峰紋波電壓；優(yōu)質電解電容ESR低，能以低成本提供較高電容值?？山Y合使用兩者以達到目標規(guī)格并降低成本。
• 輸出電容：根據(jù)輸出負載瞬態(tài)要求選擇，在負載突變時，輸出電容需提供負載所需電荷，以減少輸出電壓的下沖或上沖。通常在升壓模式下負載瞬態(tài)響應最差，可根據(jù)相關公式計算電容值，選擇合適的輸出電容。

6.3 輸出電壓設置

• 連接FB到VCC可啟用預設的5V固定輸出電壓，通過在FB和AGND之間連接一個由輸出電壓分壓的電阻網(wǎng)絡，可將輸出電壓在4V至25V之間進行外部調整。

6.4 電流檢測電阻選擇

• MAX20048使用兩個外部電流檢測電阻實現(xiàn)電感電流控制和電流限制。輸入電流檢測電阻用于電流環(huán)路、設置峰值電流限制和PFM電流限制；輸出電流檢測電阻用于設置失控電流限制、過零閾值和跳過模式下的負電流閾值。根據(jù)應用的最大輸入電流選擇輸入電流檢測電阻，確保峰值電流限制略高于計算得到的峰值輸入電流。同時，為保證安全裕度，將失控電流限制設置為高于峰值電流，由于MAX20048內部將失控電流限制設置為比峰值電流限制高50%（即75mV），可在輸入和輸出使用相同的電流檢測電阻。

6.5 斜率補償

• 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償。MAX20048可通過在SLP引腳和AGND之間連接一個電阻來設置斜率補償。通過相關公式計算電阻值，設計斜率補償時要降低電流模式控制在開關頻率一半處的雙極點品質因數(shù)，以提高穩(wěn)定性和抗噪聲能力。

6.6 誤差放大器補償設計

• 采用內部跨導放大器，其反相輸入和輸出端子可供用戶進行外部頻率補償。控制器使用峰值電流模式控制架構調節(jié)輸出電壓，將反饋環(huán)路中由電感和輸出電容引起的雙極點分裂為兩個單極點，使補償更簡單，通常只需II型補償。在升壓模式下，功率級會引入額外的RHP零點，為避免其對轉換器穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響，設計補償時應使帶寬約為最壞情況下RHP零點頻率的1/4。

6.7 外部MOSFET選擇

• MAX20048采用H橋降壓 - 升壓架構，需要四個外部MOSFET。在降壓模式下，Qt2導通，Qb2截止，Qt1和Qb1開關調節(jié)輸出電壓；在升壓模式下，Qt1導通，Qb1截止，Qt2和Qb2開關調節(jié)輸出電壓；在降壓 - 升壓區(qū)域，四個開關共同控制輸出電壓。選擇MOSFET時需考慮導通電阻、擊穿電壓、輸出電容和輸入電容等參數(shù)，低RDSON可降低導通損耗，小的柵極/輸出電容可減少開關損耗，但通常低RDSON的MOSFET在相同擊穿電壓下柵極電荷會較高，因此需根據(jù)實際應用條件進行折衷選擇。

6.8 升壓電容和二極管選擇

• 升壓電容用于為高端開關的浮動柵極提供電荷，其電容值應確保放電時的電壓降在可接受范圍內。同時，選擇電容時要避免過大導致充電速度過慢，無法在頂部開關的最小關斷時間內完全充電。升壓二極管根據(jù)平均柵極驅動電流和二極管的阻斷電壓選擇，其最大阻斷電壓應能承受FET的最大漏源電壓，快速反向恢復二極管可防止漏源電壓向偏置電源提供電流。

七、PCB布局指南

• 精心的PCB布局對于實現(xiàn)低開關功率損耗和干凈、穩(wěn)定的操作至關重要。建議盡可能使用多層板以提高抗噪能力，并遵循以下布局準則：
  • 緊湊布局大功率組件，遠離電流檢測和柵極驅動等敏感信號，避免雜散噪聲拾取。
  • 將輸入電容和輸入電流檢測電阻靠近輸入MOSFET放置，形成小的輸入電流交流回路，減少EMI和噪聲。添加高頻去耦電容以提高高頻性能。
  • 將輸出電容和輸出電流檢測電阻靠近輸出MOSFET放置，形成小的輸出電流交流回路，同理減少EMI和噪聲。
  • 減小開關節(jié)點（LX1和LX2）的面積，降低寄生電感，但需在熱耗散和噪聲抑制之間進行折衷。
  • 使用開爾文檢測連接電流檢測電阻，并將檢測走線靠近布置，確保差分信號的平衡測量，同時遠離其他噪聲走線。
  • 采用短而粗的柵極連接走線，避免柵極振鈴。
  • 使用內部PCB層作為接地平面，提高EMI性能，同時在電路板上分布多個過孔，特別是在接地連接附近，以確保良好的整體接地連接。
  • 將PGND和AGND引腳直接連接到IC下方的暴露焊盤，確保AGND和PGND之間的最短連接路徑。
  • 將暴露焊盤焊接到設備下方的大銅平面區(qū)域，并在銅平面上添加過孔，以實現(xiàn)PCB和環(huán)境之間的有效熱交換。
  • 將偏置電容（CBIAS）靠近設備放置，減少偏置電流回路，降低偏置噪聲，使操作更平滑。

八、訂購信息

MAX20048有多種型號可供選擇，不同型號在溫度范圍、引腳封裝、輸出電壓、FSYNC/ SYNCOUT功能和擴頻功能上有所差異，具體可參考數(shù)據(jù)手冊中的訂購信息表。

總之，MAX20048憑借其出色的性能、豐富的功能和全面的保護特性，為汽車電子中的電源管理提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在實際應用中，只要我們根據(jù)具體需求合理選擇和設計相關組件，并遵循正確的PCB布局指南，就能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實現(xiàn)高效穩(wěn)定的電源轉換。大家在使用過程中有什么問題或者經(jīng)驗，歡迎在評論區(qū)分享交流。