深度剖析MAX17558：60V雙輸出同步降壓控制器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來深入探討一款備受關(guān)注的芯片——MAX17558，一款60V雙輸出同步降壓控制器。

文件下載：MAX17558.pdf

芯片概述

MAX17558是一款驅(qū)動nMOSFET的雙輸出同步降壓控制器，采用了峰值電流模式、恒定頻率架構(gòu)，最高可運(yùn)行至2.2MHz。它既可以配置為兩個(gè)單相、獨(dú)立的10A電源，也能作為一個(gè)雙相、單輸出的20A電源。其獨(dú)特的180°異相運(yùn)行能力，能有效降低因輸入電容ESR導(dǎo)致的功率損耗和噪聲。

這款芯片支持兩種電流檢測方式，既可以使用外部電流檢測電阻以確保高精度，也能采用電感DCR來提高系統(tǒng)效率。在短路情況下，電流折返功能可限制MOSFET的功耗。此外，它還為每個(gè)輸出提供獨(dú)立的可調(diào)軟啟動功能，能夠在預(yù)偏置輸出的情況下實(shí)現(xiàn)單調(diào)啟動。根據(jù)不同的需求，芯片可以配置為PWM或DCM工作模式。

MAX17558的工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C，采用無鉛、32引腳TQFN封裝，尺寸為5mm x 5mm，帶有裸露焊盤，適用于工業(yè)電源、分布式直流電源系統(tǒng)、運(yùn)動控制、可編程邏輯控制器和計(jì)算機(jī)數(shù)控等多種應(yīng)用場景。

芯片特性

寬范圍操作

• 輸入輸出電壓范圍廣：輸入電壓范圍為4.5V至60V，輸出電壓范圍為0.8V至24V，能滿足多種不同的電源需求。
• 靈活的電流檢測方式：支持RSENSE或電感DCR電流檢測，可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的檢測方式。
• 可選的同相或180°異相操作：用戶可以根據(jù)需要選擇同相或180°異相操作，以優(yōu)化電源性能。
• 可調(diào)的開關(guān)頻率：開關(guān)頻率可在100kHz至2.2MHz之間調(diào)節(jié)，方便用戶根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。
• 獨(dú)立的使能和PGOOD信號：每個(gè)輸出都有獨(dú)立的使能和PGOOD信號，便于系統(tǒng)監(jiān)控和控制。
• 環(huán)保封裝：采用無鉛32引腳、5mm x 5mm TQFN - EP封裝，符合環(huán)保要求。

高效節(jié)能

• 低阻抗柵極驅(qū)動：低阻抗柵極驅(qū)動可提高效率，減少功率損耗。
• 輕載DCM模式：在輕載情況下，采用DCM模式可進(jìn)一步提高效率。
• 輔助自舉LDO：輔助自舉LDO可提供穩(wěn)定的電源，確保芯片正常工作。

工業(yè)環(huán)境可靠性

• 獨(dú)立可調(diào)軟啟動或跟蹤：每個(gè)輸出都有獨(dú)立的可調(diào)軟啟動功能，還可實(shí)現(xiàn)跟蹤功能，確保系統(tǒng)平穩(wěn)啟動。
• 電流折返保護(hù)：在短路情況下，電流折返功能可限制MOSFET的散熱，保護(hù)芯片安全。
• 寬溫度范圍工作：可在 -40°C至 +125°C的溫度范圍內(nèi)正常工作，適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。
• 過壓和過溫保護(hù)：具備輸出過壓和過溫保護(hù)功能，提高系統(tǒng)的可靠性。

電氣特性

輸入電源

輸入電壓范圍為4.5V至60V，不同工作條件下的工作電源電流和關(guān)斷電源電流也有相應(yīng)的規(guī)定。例如，在特定條件下，工作電源電流的典型值為1.5mA，關(guān)斷電源電流的典型值為10μA。

VCCINT穩(wěn)壓器

VCCINT輸出電壓在不同輸入電壓和負(fù)載電流條件下保持穩(wěn)定，其負(fù)載調(diào)節(jié)率、短路輸出電流、壓差電壓等參數(shù)也都有明確的規(guī)定。例如，在6V < VIN < 60V，IVCCINT = 1mA的條件下，VCCINT輸出電壓的典型值為5.1V。

振蕩器

開關(guān)頻率可通過RT引腳進(jìn)行編程，范圍為100kHz至2.2MHz。不同RT值對應(yīng)的開關(guān)頻率也不同，例如，當(dāng)RT = 62k時(shí)，開關(guān)頻率的典型值為440kHz。

其他特性

芯片的柵極驅(qū)動器、軟啟動、使能、電流檢測放大器、電流限制、誤差放大器、功率良好輸出和熱關(guān)斷等方面也都有詳細(xì)的電氣特性參數(shù)。例如，DH_至BST_的導(dǎo)通電阻在提供100mA電流時(shí)的典型值為1.3Ω。

典型工作特性

效率與輸出電流

不同輸出電壓和輸入電壓條件下，芯片的效率與輸出電流的關(guān)系曲線展示了其在不同負(fù)載情況下的效率表現(xiàn)。例如，在VOUT = 5V，PWM模式下，當(dāng)輸入電壓為12V、24V和36V時(shí)，效率隨著輸出電流的變化而變化。

輕載時(shí)的電感電流

輕載時(shí)，電感電流的波形和特性對于理解芯片的工作狀態(tài)和效率優(yōu)化非常重要。例如，在VIN = 24V，VOUT = 3.3V，IOUT = 0.3A的條件下，電感電流的波形展示了其在輕載時(shí)的特點(diǎn)。

其他特性

芯片的啟動特性、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、過流保護(hù)、短路保護(hù)、閉環(huán)波特圖等方面的典型工作特性也都有詳細(xì)的圖表和數(shù)據(jù)展示，幫助工程師更好地了解芯片的性能。

引腳配置和功能

MAX17558采用32引腳TQFN封裝，每個(gè)引腳都有特定的功能。例如，CS1 - 和CS2 - 分別是控制器1和控制器2的電流檢測放大器負(fù)輸入，RT引腳用于開關(guān)頻率編程，SEL_PH引腳用于相位選擇等。

詳細(xì)工作原理

內(nèi)部LDO（VCCINT）

芯片內(nèi)部有兩個(gè)100mA的低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器為VCCINT供電。根據(jù)VCCEXT的電壓水平，其中一個(gè)穩(wěn)壓器會處于工作狀態(tài)。當(dāng)VCCEXT電壓大于4.7V（典型值）時(shí)，VCCINT由VCCEXT穩(wěn)壓器供電；當(dāng)VCCEXT低于4.55V（典型值）時(shí)，VCCINT由IN穩(wěn)壓器供電。VCCINT輸出電壓為柵極驅(qū)動器和內(nèi)部控制電路供電，并且需要通過至少一個(gè)4.7μF的低ESR陶瓷電容與PGND去耦。

低側(cè)柵極驅(qū)動器（DL_）

低側(cè)外部MOSFET柵極驅(qū)動器由VCCINT供電。在正常工作條件下，低側(cè)柵極驅(qū)動器輸出（DL）始終是高側(cè)柵極驅(qū)動器輸出（DH）的互補(bǔ)信號。芯片內(nèi)部的專用電路會監(jiān)控DH_和DL_輸出，確保在另一個(gè)柵極驅(qū)動信號完全關(guān)閉后，才允許該柵極驅(qū)動信號開啟，避免上下管同時(shí)導(dǎo)通。

高側(cè)柵極驅(qū)動器（DH_）

高側(cè)柵極驅(qū)動器由連接在BST_和LX_之間的自舉電容供電。在每個(gè)開關(guān)周期中，當(dāng)?shù)蛡?cè)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，自舉電容通過外部肖特基二極管充電至VCCINT。通過閉合BST_和DH_之間的內(nèi)部開關(guān)，為高側(cè)MOSFET提供必要的柵源電壓，使其導(dǎo)通。

關(guān)斷和啟動（EN和SS）

芯片的兩個(gè)控制器可以通過EN1和EN2引腳獨(dú)立關(guān)斷和啟用。將這些引腳拉低至1.25V（典型值）以下會關(guān)閉相應(yīng)的控制器，將兩個(gè)引腳都拉低至0.7V以下會禁用兩個(gè)控制器和大多數(shù)內(nèi)部電路，此時(shí)芯片的靜態(tài)電流僅為10μA（典型值）。啟動時(shí)，每個(gè)控制器的輸出電壓由相應(yīng)的SS_引腳電壓控制。通過在SS_引腳連接外部電容到GND，可以編程輸出電壓的軟啟動時(shí)間。

輕載電流操作（SKIP）

MAX17558可以配置為不連續(xù)導(dǎo)通（DCM）模式以提高輕載效率，或固定頻率脈寬調(diào)制（PWM）模式。選擇DCM模式時(shí)，將SKIP引腳連接到1.25V至VCCINT - 1.5V之間的直流電壓；選擇PWM模式時(shí)，將SKIP引腳連接到VCCINT。

頻率選擇（RT）

開關(guān)頻率的選擇需要在效率和元件尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。通過RT引腳可以將芯片的開關(guān)頻率編程在100kHz至2.2MHz之間。例如，將RT連接到VCCINT可設(shè)置默認(rèn)開關(guān)頻率為535kHz，連接到GND可設(shè)置為350kHz。

0至180°相位操作

通過SEL_PH引腳，用戶可以配置芯片兩個(gè)輸出通道之間的相移。相移為180°時(shí)，可降低輸入和輸出電容的RMS電流，減少輸入電壓紋波。

輸出過壓保護(hù)

當(dāng)輸出電壓超過其標(biāo)稱值的10%時(shí)，輸出過壓保護(hù)電路會關(guān)閉高側(cè)MOSFET，直到過壓情況消除。低側(cè)MOSFET的狀態(tài)取決于所選的工作模式。

功率良好（PGOOD1和PGOOD2）引腳

PGOOD_引腳為開漏輸出，當(dāng)相應(yīng)的FB_引腳電壓超出0.8V參考電壓的±10%時(shí)，PGOOD_引腳會拉低。在軟啟動期間，PGOOD_引腳也為低電平。

折返電流限制

在過載情況下，當(dāng)輸出電壓降至其標(biāo)稱值的70%以下時(shí)，折返電流限制功能會被激活，逐漸降低電感峰值電流。

峰值電流限制編程（ILIM）

芯片根據(jù)ILIM引腳設(shè)置提供逐周期峰值電流限制。ILIM是一個(gè)三級邏輯輸入，不同的ILIM引腳配置對應(yīng)不同的逐周期峰值正電流限制閾值和電流檢測放大器增益。

啟動到預(yù)偏置輸出

芯片支持在預(yù)偏置輸出電壓下單調(diào)啟動。啟動時(shí)，如果FB_引腳電壓高于SS_引腳電壓，高側(cè)MOSFET會保持關(guān)閉，低側(cè)MOSFET會每10個(gè)時(shí)鐘周期導(dǎo)通150ns以刷新自舉電容。

工作輸入電壓范圍

對于降壓轉(zhuǎn)換器，需要根據(jù)輸出電壓、最大負(fù)載電流、電感直流電阻、最大開關(guān)頻率、MOSFET導(dǎo)通電阻、最小關(guān)斷時(shí)間和最小導(dǎo)通時(shí)間等參數(shù)來計(jì)算最小和最大工作輸入電壓。

熱過載保護(hù)

當(dāng)芯片的結(jié)溫超過 +160°C時(shí)，熱過載保護(hù)功能會關(guān)閉芯片，待結(jié)溫下降20°C后，芯片會重新啟動并進(jìn)行軟啟動。

應(yīng)用信息

設(shè)置輸入欠壓鎖定電平

EN_引腳可作為輸入欠壓鎖定檢測器，通過連接電阻分壓器到相應(yīng)的EN_引腳，可以設(shè)置每個(gè)控制器的啟動輸入電壓。

設(shè)置輸出電壓

通過連接電阻分壓器到FB_引腳，可以設(shè)置每個(gè)控制器的輸出電壓。需要根據(jù)FB_泄漏電流和所需的輸出電壓偏移來選擇合適的電阻值。

軟啟動電容

通過在SS_引腳連接電容到GND，可以編程軟啟動時(shí)間。內(nèi)部5μA電流源會對電容充電，為輸出電壓參考提供線性斜坡電壓。

電感選擇

選擇輸出電感時(shí)，需要考慮電感值、電感飽和電流和直流電阻三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)電感峰 - 峰紋波交流電流與直流平均電流的比值、開關(guān)頻率、輸入電壓、輸出電壓和負(fù)載電流等因素來計(jì)算所需的電感值。

電流檢測

CS + 和CS - 引腳是內(nèi)部電流檢測放大器的輸入，其共模工作電壓范圍為0至24V?？梢允褂猛獠侩娏鳈z測電阻或電感DCR進(jìn)行電流檢測，根據(jù)所選的電流限制閾值、最大負(fù)載電流和電感紋波電流等參數(shù)來計(jì)算所需的電流檢測電阻值。

輸入電容選擇

輸入濾波電容可減少從電源汲取的峰值電流，降低電路開關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。使用低ESR陶瓷電容，并根據(jù)輸入紋波、負(fù)載電流、效率和開關(guān)頻率等參數(shù)來計(jì)算所需的輸入電容值。

輸出電容選擇

輸出電容的關(guān)鍵選擇參數(shù)包括電容值、ESR和電壓額定值。穩(wěn)態(tài)輸出紋波由兩部分組成，分別是由于ESR引起的輸出電壓降和由于電荷存儲變化引起的電壓變化。根據(jù)這些因素來計(jì)算所需的輸出電容和ESR值。

環(huán)路補(bǔ)償

芯片使用內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器，其反相輸入和輸出可供用戶進(jìn)行外部頻率補(bǔ)償。通過選擇合適的補(bǔ)償電阻和電容，可以確保環(huán)路的穩(wěn)定性。

自舉電容選擇

根據(jù)所選的高側(cè)nMOSFET的總柵極電荷和允許的電壓變化，來選擇合適的自舉電容值。建議使用低ESR陶瓷電容，最小電容值為100nF。

MOSFET選擇

每個(gè)控制器驅(qū)動兩個(gè)外部邏輯電平n溝道MOSFET，選擇這些MOSFET時(shí)，需要考慮導(dǎo)通電阻、最大漏源電壓、米勒平臺電壓、總柵極電荷、輸出電容、功率耗散額定值和封裝熱阻等參數(shù)。

功率耗散計(jì)算

需要計(jì)算芯片內(nèi)部的功率耗散，包括柵極電荷損耗和其他損耗。根據(jù)不同的供電方式，使用相應(yīng)的公式計(jì)算芯片的近似損耗，并確保芯片的結(jié)溫不超過 +125°C。

PCB布局指南

PCB布局對于實(shí)現(xiàn)低損耗、低輸出噪聲和穩(wěn)定的操作至關(guān)重要。需要注意輸入旁路電容、肖特基二極管、自舉電容的放置，以及高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)與敏感模擬區(qū)域的隔離等。同時(shí)，要確保柵極電流走線短而寬，電流檢測走線短且差分布線。

典型應(yīng)用電路

文檔中還給出了多種典型應(yīng)用電路，如基于電阻電流檢測的寬輸入電壓、高效5V和3.3V輸出降壓轉(zhuǎn)換器，基于電感DCR電流檢測的寬輸入電壓、高效5V和3.3V輸出降壓轉(zhuǎn)換器，以及基于電阻電流檢測的寬輸入電壓、高效雙相3.3V、20A輸出降壓轉(zhuǎn)換器等。這些電路為工程師提供了實(shí)際應(yīng)用的參考。

MAX17558是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的60V雙輸出同步降壓控制器，適用于多種工業(yè)和電源管理應(yīng)用。通過深入了解其特性、工作原理和應(yīng)用信息，工程師可以更好地利用這款芯片設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的電源系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，你是否遇到過類似芯片的使用問題？你又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。