MAX17031：雙路Q(chēng)uick - PWM降壓控制器的深度解析與設(shè)計(jì)指南

一、引言

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，電源管理芯片扮演著至關(guān)重要的角色。對(duì)于筆記本電腦、超移動(dòng)PC等設(shè)備而言，高效穩(wěn)定的電源供應(yīng)是保障設(shè)備性能的關(guān)鍵。MAX17031作為一款雙路Q(chēng)uick - PWM降壓控制器，集成了低功耗LDO和RTC調(diào)節(jié)器，為主要電源供應(yīng)提供了出色的解決方案。本文將深入剖析MAX17031的特點(diǎn)、工作模式、設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及應(yīng)用注意事項(xiàng)，幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用這款芯片。

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二、產(chǎn)品概述

2.1 主要功能

MAX17031專(zhuān)為電池供電系統(tǒng)中的5V/3.3V主電源生成而設(shè)計(jì)，采用同步整流技術(shù)，具備雙路Q(chēng)uick - PWM降壓電源（SMPS）控制功能。其低側(cè)MOSFET感應(yīng)技術(shù)提供了一種簡(jiǎn)單、低成本且高效的電流感應(yīng)方式，用于谷值電流限制保護(hù)，結(jié)合輸出過(guò)壓和欠壓保護(hù)功能，確保了輸出電源的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 應(yīng)用場(chǎng)景

廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、超移動(dòng)PC、主系統(tǒng)電源（5V和3.3V電源）、2至4節(jié)鋰離子電池供電設(shè)備以及電信等領(lǐng)域。

2.3 特性亮點(diǎn)

• 雙路Q(chēng)uick - PWM：預(yù)設(shè)5V和3.3V輸出，內(nèi)部集成100mA、5V線性穩(wěn)壓器和OUT1 LDO5旁路開(kāi)關(guān)。
• 二次反饋（SKIP輸入）：可維持電荷泵，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。
• 實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）電源：提供3.3V、5mA的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電源，始終保持開(kāi)啟狀態(tài)。
• 參考電壓：2V ±1%、50μA的參考電壓，為系統(tǒng)提供精確的電壓基準(zhǔn)。
• 寬輸入范圍：6V至24V的輸入電壓范圍，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 多種工作模式：支持脈沖跳頻/強(qiáng)制PWM/超聲波模式控制，滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。
• 獨(dú)立控制：具備獨(dú)立的SMPS和LDO5使能控制，方便用戶(hù)進(jìn)行靈活配置。
• 電源良好輸出：組合式SMPS PGOOD輸出，簡(jiǎn)化與外部控制器的接口。
• 元件數(shù)量少：最小化的元件數(shù)量，降低了設(shè)計(jì)成本和電路板空間。

三、電氣特性分析

3.1 輸入電源特性

• 輸入電壓范圍：LDO5正常工作時(shí)，輸入電壓范圍為6V至24V。
• 待機(jī)和關(guān)機(jī)電流：待機(jī)時(shí)，輸入電源電流在85 - 175μA之間；關(guān)機(jī)時(shí)，電流在40 - 70μA之間，體現(xiàn)了低功耗特性。
• 工作電流：在正常工作狀態(tài)下，輸入電源電流約為0.1 - 0.2mA，VCC偏置電源電流約為0.7 - 1.5mA。

3.2 PWM控制器特性

• 輸出電壓精度：OUT1輸出電壓精度在4.95 - 5.05V之間，OUT2輸出電壓精度在3.267 - 3.333V之間，確保了輸出電壓的穩(wěn)定性。
• 負(fù)載和線性調(diào)節(jié)誤差：負(fù)載調(diào)節(jié)誤差在不同條件下有所不同，但總體控制在較小范圍內(nèi)，線性調(diào)節(jié)誤差為0.005%/V。
• 開(kāi)關(guān)時(shí)間：DH1和DH2的導(dǎo)通時(shí)間分別在895 - 1209ns和833 - 1017ns之間，最小關(guān)斷時(shí)間為300 - 400ns。
• 軟啟動(dòng)和超聲波工作頻率：軟啟動(dòng)斜率為1ms，超聲波工作頻率在20 - 34kHz之間。

3.3 線性穩(wěn)壓器和RTC特性

• LDO5輸出電壓精度：在0 < ILDO5 < 100mA時(shí)，輸出電壓精度在4.90 - 5.0V之間。
• RTC輸出電壓精度：在特定條件下，輸出電壓精度在3.23 - 3.43V之間。

3.4 其他特性

• 參考電壓：參考電壓在2.020V左右，參考負(fù)載調(diào)節(jié)誤差在 - 10 - +10mV之間。
• 故障檢測(cè)：具備輸出過(guò)壓和欠壓保護(hù)功能，故障傳播延遲在10μs左右。
• PGOOD特性：PGOOD低觸發(fā)閾值在 - 16 - - 10%之間，傳播延遲為10μs，泄漏電流較小。

四、工作模式詳解

4.1 強(qiáng)制PWM模式（VSKIP = 1.8V）

此模式下，零交叉比較器被禁用，低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)波形始終是高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)波形的互補(bǔ)，可保持開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)恒定。但缺點(diǎn)是空載時(shí)5V偏置電流在20 - 60mA之間，具體取決于開(kāi)關(guān)頻率和MOSFET選擇。在關(guān)機(jī)時(shí)，無(wú)論SKIP配置如何，MAX17031都會(huì)自動(dòng)采用強(qiáng)制PWM操作。

4.2 自動(dòng)脈沖跳頻模式（VSKIP > 2V）

在輕載時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換到PFM模式。通過(guò)比較器在電感電流過(guò)零時(shí)截?cái)嗟蛡?cè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)脈沖跳頻。在連續(xù)導(dǎo)通時(shí)，MAX17031調(diào)節(jié)輸出紋波的谷值；在不連續(xù)導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓會(huì)比誤差比較器閾值高約1.5%。

4.3 超聲波模式（VSKIP = GND）

將SKIP接地可激活超聲波脈沖跳頻模式，保證最小開(kāi)關(guān)頻率為20kHz，消除輕載時(shí)的音頻頻率調(diào)制。當(dāng)控制器檢測(cè)到在過(guò)去37μs內(nèi)未發(fā)生開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，會(huì)觸發(fā)超聲波脈沖，先拉低DL使低側(cè)MOSFET導(dǎo)通，再觸發(fā)恒定導(dǎo)通時(shí)間，有效降低輸出電壓峰值。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 電感選擇

電感值由開(kāi)關(guān)頻率和電感工作點(diǎn)決定，計(jì)算公式為 (L=frac{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}{V{IN } f_{SW} LOAD(MAX) LIR }) 。選擇低損耗、直流電阻盡可能小的電感，同時(shí)要確保電感在峰值電流時(shí)不飽和。

5.2 電流限制設(shè)置

最小電流限制閾值必須足夠大，以支持最大負(fù)載電流?？赏ㄟ^(guò)在ILIM_和模擬地之間連接電阻來(lái)設(shè)置可調(diào)電流限制閾值，調(diào)整時(shí)應(yīng)使用1%公差的電阻，以確保谷值電流限制的準(zhǔn)確性。

5.3 輸出電容選擇

輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）要足夠低，以滿(mǎn)足輸出紋波和負(fù)載瞬態(tài)要求；同時(shí)又要足夠高，以滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，可根據(jù)具體需求選擇合適的電容。

5.4 輸入電容選擇

輸入電容需滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生的紋波電流要求，計(jì)算公式為 (I{RMS }=I{LOAD }left(frac{sqrt{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}}{V{IN }}right)) 。一般來(lái)說(shuō)，非鉭電容（陶瓷、鋁或OS - CON）更適合大多數(shù)應(yīng)用。

5.5 功率MOSFET選擇

• 高側(cè)MOSFET：要能在VIN(MIN)和VIN(MAX)時(shí)都能有效散熱，理想情況下，在VIN(MIN)和VIN(MAX)時(shí)的損耗應(yīng)大致相等。
• 低側(cè)MOSFET：選擇導(dǎo)通電阻盡可能低、封裝適中且價(jià)格合理的MOSFET，同時(shí)要確保MAX17031的DL_柵極驅(qū)動(dòng)器能提供足夠的電流。

六、PCB布局指南

6.1 布局原則

• 保持高電流路徑短，特別是接地端子，以確保穩(wěn)定、無(wú)抖動(dòng)的操作。
• 保持電源走線和負(fù)載連接短，采用厚銅PCB可提高滿(mǎn)載效率。
• 盡量減少電流感應(yīng)誤差，將LX_直接連接到低側(cè)MOSFET的漏極。
• 優(yōu)先保證電感充電路徑比放電路徑長(zhǎng)。
• 將高速開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（BST、LX、DH和DL）遠(yuǎn)離敏感模擬區(qū)域（REF和OUT_）。

6.2 布局步驟

1. 先放置功率元件，使接地端子相鄰。
2. 將控制器IC安裝在低側(cè)MOSFET附近，最好在NL_和NH_的背面。
3. 將柵極驅(qū)動(dòng)組件（BST_電容、VDD旁路電容）分組放置在控制器IC附近。
4. 按照特定方式進(jìn)行DC - DC控制器的接地連接。
5. 將輸出電源平面通過(guò)多個(gè)過(guò)孔直接連接到輸出濾波電容的正負(fù)極。

七、總結(jié)

MAX17031作為一款功能強(qiáng)大的雙路Q(chēng)uick - PWM降壓控制器，具有多種特性和工作模式，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。電子工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)具體需求合理選擇元件，注意PCB布局，以確保系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。你在使用MAX17031的過(guò)程中，遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。