MAX8655：高度集成的25A寬輸入降壓調(diào)節(jié)器

引言

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。一款性能優(yōu)異的降壓調(diào)節(jié)器能夠為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，保證設(shè)備的正常運行。今天，我們就來深入了解一下Maxim公司的MAX8655，這是一款高度集成的25A寬輸入降壓調(diào)節(jié)器，具有諸多出色的特性和廣泛的應(yīng)用場景。

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產(chǎn)品概述

主要參數(shù)

MAX8655是一款同步PWM降壓調(diào)節(jié)器，輸入電壓范圍為4.5V至25V，輸出電壓可在0.7V至5.5V之間調(diào)節(jié)，最大負載電流可達25A。它集成了功率MOSFET，具有小尺寸、易于布局和降低EMI的優(yōu)點。該調(diào)節(jié)器采用峰值電流模式控制架構(gòu)，開關(guān)頻率可調(diào)（200kHz至1MHz），并且可以外部同步。

應(yīng)用領(lǐng)域

MAX8655適用于多種應(yīng)用場景，包括負載點電源、電信電源、網(wǎng)絡(luò)、非隔離式DC - DC電源模塊、服務(wù)器和工作站、筆記本電腦以及IBA電源等。

特性亮點

高集成度與高性能

• 集成功率MOSFET：減少了外部元件數(shù)量，縮小了電路板尺寸，同時降低了EMI，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
• 寬輸入電壓范圍：4.5V至25V的輸入范圍，使其能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境，增強了產(chǎn)品的通用性。
• 高精度輸出：在溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)B電壓精度可達1%，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。

靈活的控制與保護功能

• 可調(diào)參數(shù)：開關(guān)頻率、輸出電壓、過流限制、斜率補償?shù)葏?shù)均可調(diào)，滿足不同應(yīng)用的需求。
• 同步功能：提供180°異相同步輸出，可與另一個MAX8655同步，減少輸入紋波和輸出紋波。
• 過壓保護：獨立的過壓保護功能，增強了輸出過壓保護能力，提高了系統(tǒng)的安全性。
• 軟啟動功能：內(nèi)部軟啟動電路可逐漸提升參考電壓，控制輸出電壓的上升速率，減少啟動時的輸入浪涌電流。

電氣特性

絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于正確使用和保護器件至關(guān)重要。MAX8655的各項引腳電壓、電流、溫度等參數(shù)都有明確的限制，如PVIN、IN、EN到GND的電壓范圍為 - 0.3V至 + 30V，工作結(jié)溫范圍為 - 40°C至 + 125°C等。在設(shè)計過程中，必須確保器件工作在這些額定值范圍內(nèi)，以避免損壞器件。

電氣參數(shù)

文檔中詳細列出了MAX8655的各項電氣參數(shù)，包括輸入電壓范圍、靜態(tài)電流、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍、振蕩器頻率、熱保護閾值等。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計電路時提供了重要的參考依據(jù)。例如，在選擇輸入電容和輸出電容時，需要根據(jù)輸入電壓、輸出電流、開關(guān)頻率等參數(shù)來計算電容的紋波電流和電壓紋波，以確保電容能夠滿足電路的要求。

工作原理

DC - DC轉(zhuǎn)換器控制架構(gòu)

MAX8655采用PWM峰值電流模式控制方案。內(nèi)部跨導(dǎo)放大器建立積分誤差電壓，PWM比較器將積分電壓反饋信號與放大的電流檢測信號加上可調(diào)斜率補償斜坡進行比較，以確保穩(wěn)定性。在內(nèi)部時鐘的每個上升沿，內(nèi)部高端MOSFET導(dǎo)通，直到PWM比較器觸發(fā)或達到最大占空比。在導(dǎo)通期間，電流通過電感上升，將能量存儲在輸出電感中并為負載提供電流。在周期的后半部分，高端MOSFET關(guān)斷，低端MOSFET導(dǎo)通，輸出電感釋放存儲的能量，為負載提供電流。

內(nèi)部線性調(diào)節(jié)器

MAX8655包含兩個內(nèi)部LDO調(diào)節(jié)器，AVL調(diào)節(jié)器為IC的內(nèi)部電路提供5V電源，VL調(diào)節(jié)器為MOSFET柵極驅(qū)動器提供6.5V電源。在使用時，需要在VL和VLGND之間連接一個2.2μF的陶瓷電容，在AVL和GND之間連接一個1μF的陶瓷電容。

欠壓鎖定

當(dāng)VAVL下降到4.03V以下時，欠壓鎖定（UVLO）電路會抑制開關(guān)動作，關(guān)閉兩個內(nèi)部功率MOSFET。當(dāng)VAVL上升到4.15V以上時，調(diào)節(jié)器進入啟動序列并恢復(fù)正常運行。

啟動和軟啟動

內(nèi)部軟啟動電路通過逐漸提升參考電壓來控制輸出電壓的上升速率，減少啟動時的輸入浪涌電流。軟啟動時間由連接在SS和GND之間的電容值決定，大約為(30.4ms/μF) x CSS。此外，MAX8655還具有單調(diào)輸出電壓上升特性，能夠在預(yù)偏置輸出的情況下安全啟動，避免輸出電壓下降。

電流檢測和限制

電流檢測放大器放大差分電流檢測電壓（VCS+ - VCS-），該信號與內(nèi)部斜率補償信號相加后輸入到PWM比較器的反相輸入端。當(dāng)VSUM超過積分反饋電壓（VCOMP）時，PWM比較器關(guān)閉高端MOSFET。MAX8655采用折返和峰值電流限制相結(jié)合的方式，在輸出嚴重過載或短路時，谷值折返電流限制可降低外部元件的功耗。

開關(guān)頻率和同步

MAX8655的內(nèi)部振蕩器頻率可調(diào)，范圍為200kHz至1MHz。通過連接一個電阻到FSYNC引腳可以設(shè)置開關(guān)頻率，也可以通過連接外部時鐘信號到FSYNC引腳實現(xiàn)同步。同步輸出（SYNCO）可用于與另一個MAX8655實現(xiàn)180°異相運行。

過壓保護和電源良好信號

MAX8655提供輸出過壓保護（OVP），通過電阻分壓器獨立設(shè)置OVP閾值。當(dāng)OVP引腳的電壓超過閾值時，調(diào)節(jié)器停止開關(guān)動作并鎖定低端功率MOSFET。POK是一個開漏輸出引腳，用于監(jiān)測輸出電壓，當(dāng)輸出電壓高于標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的92%時，POK為高阻態(tài)；當(dāng)輸出電壓低于標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的89%時，POK被內(nèi)部拉低。

熱過載保護

熱過載保護功能可限制MAX8655的總功耗。當(dāng)結(jié)溫超過 + 160°C時，內(nèi)部熱傳感器會關(guān)閉器件，待結(jié)溫下降15°C后，器件重新開啟，在連續(xù)熱過載條件下會產(chǎn)生脈沖輸出。

設(shè)計步驟

設(shè)置輸出電壓

通過將FB引腳連接到外部電阻分壓器的中心，可以設(shè)置MAX8655的輸出電壓。選擇合適的電阻值，根據(jù)公式 (R3 = R5 times (frac{V{OUT}}{V{FB}} - 1)) 計算R3的值，其中 (V_{FB}=0.7V) 或VREFIN。

設(shè)置輸出過壓保護

將OVP引腳連接到外部電阻分壓器的中心，可設(shè)置過壓閾值電壓。根據(jù)公式 (R4 = R6 times (frac{V{OUT}}{V{OVP}} - 1)) 計算R4的值，其中 (V{OVP}=1.15 times V{FB})。

電感選擇

選擇電感時，需要考慮輸入電壓、輸出電壓、負載電流、開關(guān)頻率和LIR（電感電流紋波與最大直流負載電流的比值）等參數(shù)。一般來說，LIR取0.3是一個較好的折衷值。根據(jù)公式 (L=frac{V{OUT} times (V{IN} - V{OUT})}{V{IN} times f{S} times I{LOAD(MAX)} times LIR}) 計算電感值，并選擇接近計算值的標(biāo)準(zhǔn)電感。

設(shè)置開關(guān)頻率

通過連接一個電阻到FSYNC引腳來設(shè)置開關(guān)頻率，根據(jù)公式 (R{FSYNC}=frac{30600}{f{S}} - 9.914) 計算電阻值，其中 (f_{S}) 是所需的開關(guān)頻率（kHz）。

設(shè)置斜率補償

對于占空比小于40%的應(yīng)用，將SCOMP引腳連接到GND可設(shè)置內(nèi)部斜率補償為默認的125mV/T；對于占空比大于40%的應(yīng)用，需要通過電阻分壓器設(shè)置SCOMP電壓。

設(shè)置電流限制

• 谷值電流限制：可配置為具有自動恢復(fù)的折返模式或具有鎖存功能的恒流限制模式。通過連接電阻到ILIM2引腳來設(shè)置谷值電流限制。
• 峰值電流限制：通過連接電阻到ILIM1引腳來設(shè)置峰值電流限制閾值，根據(jù)公式 (R{ILIM1}=frac{7.5 times V{TH}}{10 mu A}) 計算電阻值。

電容選擇

• 輸入電容：輸入濾波電容可減少從電源吸取的峰值電流，降低電路開關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。選擇陶瓷電容，確保其在最大工作RMS電流下的溫度上升小于10°C。
• 輸出電容：輸出電容的選擇需要考慮實際電容值、等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL）和電壓額定要求等參數(shù)。根據(jù)公式計算輸出電壓紋波，選擇合適的電容以滿足穩(wěn)定性、輸出電壓紋波和瞬態(tài)響應(yīng)的要求。

補償設(shè)計

MAX8655使用內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器來補償控制環(huán)路。外部電感、輸出電容、補償電阻和補償電容決定了環(huán)路的穩(wěn)定性。根據(jù)不同的應(yīng)用情況，選擇合適的補償組件值，以確保環(huán)路具有足夠的相位裕度和穩(wěn)定性。

PCB布局指南

PCB布局對于實現(xiàn)低損耗、干凈穩(wěn)定的運行至關(guān)重要。以下是一些PCB布局的指導(dǎo)原則：

1. 電容放置：將IC去耦電容盡可能靠近IC引腳放置，分離電源和模擬接地平面，將輸入陶瓷去耦電容直接跨接在PVIN和PGND之間。
2. 多層PCB：對于輸出電流大于10A的情況，建議使用四層PCB，并在IC下方的第二層鋪設(shè)模擬接地平面，以減少噪聲耦合。
3. 電容連接：將輸入、輸出和VL電容連接到電源接地平面，將其他電容連接到信號接地平面，并在輸出電容處連接模擬和電源接地平面。
4. 電流檢測元件放置：將電感電流檢測電阻和電容盡可能靠近電感放置，采用開爾文連接以減少PCB走線電阻的影響。
5. 散熱設(shè)計：將暴露焊盤部分連接到相應(yīng)的IC引腳，并提供足夠的銅面積以幫助器件散熱。
6. 反饋和補償組件放置：將反饋和補償組件盡可能靠近IC引腳放置，將反饋電阻分壓器從FB連接到VOUT，盡可能靠近最遠的輸出電容。

總結(jié)

MAX8655是一款功能強大、性能優(yōu)異的降壓調(diào)節(jié)器，具有高度集成、靈活控制和多種保護功能等優(yōu)點。在設(shè)計過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇器件參數(shù)、設(shè)計電路和進行PCB布局，以充分發(fā)揮MAX8655的性能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。你在使用MAX8655的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。