深入解析MAX17548：42V雙輸出同步降壓控制器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。一款性能出色的降壓控制器能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供穩(wěn)定、高效的電源供應(yīng)。今天，我們就來(lái)深入了解一下Maxim Integrated推出的MAX17548——一款42V雙輸出同步降壓控制器。

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一、產(chǎn)品概述

MAX17548是一款雙輸出同步降壓控制器，可驅(qū)動(dòng)nMOSFET。它采用峰值電流模式、恒定頻率架構(gòu)，最高工作頻率可達(dá)2.2MHz。該器件可配置為兩個(gè)單相、獨(dú)立的10A電源，也可作為雙相、單輸出的20A電源。此外，它還能讓兩個(gè)控制器以180°異相運(yùn)行，減少因輸入電容ESR導(dǎo)致的功率損耗和噪聲。

1. 應(yīng)用領(lǐng)域

• 工業(yè)電源：為工業(yè)設(shè)備提供穩(wěn)定的電源支持。
• 分布式直流電源系統(tǒng)：滿足分布式電源系統(tǒng)的需求。
• 運(yùn)動(dòng)控制：確保運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的電源穩(wěn)定。
• 可編程邏輯控制器：為PLC提供可靠的電源。
• 計(jì)算機(jī)數(shù)控：保障數(shù)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2. 產(chǎn)品特性

• 寬范圍操作
  • 輸入電壓范圍為4.5V至42V，輸出電壓范圍為0.8V至24V。
  • 支持RSENSE或電感DCR電流檢測(cè)。
  • 可選擇同相或180°異相操作。
  • 開關(guān)頻率可在100kHz至2.2MHz之間調(diào)節(jié)。
  • 具有獨(dú)立的使能和PGOOD信號(hào)。
  • 采用無(wú)鉛32引腳、5mm x 5mm TQFN - EP封裝。
• 提高電源效率
  • 低阻抗柵極驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。
  • 輕載時(shí)采用DCM模式。
  • 配備輔助自舉LDO。
• 在惡劣工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行
  • 獨(dú)立可調(diào)軟啟動(dòng)或跟蹤功能。
  • 電流折返限制MOSFET在短路時(shí)的散熱。
  • 工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C。
  • 具備輸出過(guò)壓和過(guò)溫保護(hù)。

二、電氣特性

1. 輸入電源

• 輸入電壓范圍為4.5V至42V，VCCINT在特定條件下輸出電壓為4.95V至5.25V。
• 不同條件下的工作電源電流和關(guān)斷電源電流有明確的參數(shù)范圍。

2. 振蕩器

• 開關(guān)頻率可通過(guò)RT引腳進(jìn)行編程，范圍為100kHz至2.2MHz。
• RT引腳的上拉電流為9.5μA至10.5μA。

3. 門驅(qū)動(dòng)器

• DH和DL引腳的導(dǎo)通電阻在特定條件下有相應(yīng)的參數(shù)。
• DH的最小受控導(dǎo)通時(shí)間為120ns至155ns，DL的最小受控關(guān)斷時(shí)間在PWM模式下為80ns至160ns。

4. 軟啟動(dòng)

• 軟啟動(dòng)電流在Vss = 0.5V時(shí)為3.5μA至6.5μA。

5. 使能

• EN引腳的邏輯高閾值為1.2V至1.3V，遲滯為90mV。

6. 電流檢測(cè)放大器

• CS + 和CS - 引腳的共模電壓范圍為0至24V，輸入工作電壓范圍為 - 100mV至 + 100mV。
• 電流檢測(cè)放大器的增益根據(jù)ILIM引腳設(shè)置不同而變化。

7. 電流限制

• 逐周期峰值正電流限制閾值根據(jù)ILIM引腳配置不同而不同。

8. 誤差放大器

• 反饋調(diào)節(jié)電壓為788mV至812mV，F(xiàn)B引腳的輸入泄漏電流在特定條件下為 - 100nA至 + 100nA。

9. 電源良好輸出

• PGOOD引腳的閾值在FB引腳電壓上升和下降時(shí)有不同的值，輸出低電平在特定條件下為0.05V至0.25V。

10. 熱關(guān)斷

• 熱關(guān)斷閾值為160°C，遲滯為20°C。

三、典型工作特性

通過(guò)一系列圖表展示了MAX17548在不同條件下的效率、電感電流、啟動(dòng)特性、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)等性能。例如，在不同輸入電壓、輸出電壓和工作模式下的效率曲線，以及啟動(dòng)到預(yù)偏置輸出的特性等。這些特性有助于工程師在實(shí)際應(yīng)用中更好地了解和使用該器件。

四、引腳配置與功能

1. 引腳配置

MAX17548采用32引腳TQFN封裝，各引腳具有不同的功能。例如，CS1 - 和CS2 - 為電流檢測(cè)放大器的負(fù)輸入，RT用于編程開關(guān)頻率，SEL_PH用于選擇相位等。

2. 引腳功能

• 電流檢測(cè)相關(guān)引腳：CS1 + 、CS2 + 、CS1 - 、CS2 - 用于電流檢測(cè)，連接到電流檢測(cè)信號(hào)的正負(fù)極。
• 頻率編程引腳：RT引腳通過(guò)連接不同的電阻或電壓來(lái)設(shè)置開關(guān)頻率。
• 相位選擇引腳：SEL_PH引腳可選擇兩個(gè)控制器之間的相移。
• 使能引腳：EN1和EN2用于獨(dú)立控制兩個(gè)控制器的開啟和關(guān)閉。
• 反饋和補(bǔ)償引腳：FB1、FB2、COMP1、COMP2用于反饋電壓輸入和誤差放大器輸出及補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接。
• 軟啟動(dòng)引腳：SS1和SS2用于編程輸出電壓的軟啟動(dòng)時(shí)間。
• 電源良好引腳：PGOOD1和PGOOD2為開漏輸出，用于指示輸出電壓是否正常。
• 柵極驅(qū)動(dòng)器引腳：DH1、DH2、DL1、DL2用于驅(qū)動(dòng)外部MOSFET。
• 電源引腳：VCCINT為內(nèi)部LDO輸出，VCCEXT為外部電源輸入，IN為電源輸入，PGND為功率地。

五、詳細(xì)工作原理

1. 內(nèi)部LDO（VCCINT）

MAX17548有兩個(gè)內(nèi)部100mA低 dropout（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)壓器工作。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(dòng)器和內(nèi)部控制電路供電，并且需要用至少4.7μF的低ESR陶瓷電容進(jìn)行去耦。同時(shí)，IC采用欠壓鎖定（UVLO）電路，當(dāng)VCCINT低于3.8V（典型值）時(shí)，兩個(gè)穩(wěn)壓器都關(guān)閉；當(dāng)VCCINT > 4.2V（典型值）時(shí)，穩(wěn)壓器重新啟用。

2. 低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器（DL_）

低側(cè)外部MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器由VCCINT供電。在正常工作條件下，低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出（DL）始終是高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出（DH）的互補(bǔ)信號(hào)。每個(gè)控制器上的專用電路會(huì)監(jiān)控DH_和DL_輸出，確保在一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)完全關(guān)閉后，另一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)才能開啟。為了確保柵極驅(qū)動(dòng)器電路正常工作，DL_和DH_引腳到外部MOSFET柵極之間必須有低阻抗路徑，在PCB布局中應(yīng)使用非常短且寬的走線來(lái)最小化阻抗。內(nèi)部下拉晶體管驅(qū)動(dòng)DL_低電平，其導(dǎo)通電阻典型值為0.75Ω，有助于防止在LX_節(jié)點(diǎn)快速上升時(shí)，由于低側(cè)同步整流MOSFET的漏極到柵極的電容耦合而使DL_被拉高。

3. 高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器（DH_）

高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)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)，自舉電容通常通過(guò)外部肖特基二極管充電至VCCINT。通過(guò)閉合BST_和DH_之間的內(nèi)部開關(guān)來(lái)開啟高側(cè)MOSFET，為其提供必要的柵源電壓。在選擇自舉電容大小時(shí)，可參考相關(guān)章節(jié)。

4. 關(guān)斷和啟動(dòng)（EN和SS）

IC的兩個(gè)控制器可以通過(guò)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(huì)關(guān)閉相應(yīng)的控制器；將EN1和EN2都拉低至0.7V以下會(huì)禁用兩個(gè)控制器和大多數(shù)內(nèi)部電路，包括VCCINT LDO，此時(shí)器件的靜態(tài)電流僅為10μA（典型值）。EN_引腳可以開路或外部上拉至1.25V（典型值）至5.5V之間的電壓來(lái)開啟相應(yīng)的控制器。

每個(gè)控制器的輸出電壓?jiǎn)?dòng)由相關(guān)的SS_引腳電壓控制。當(dāng)SS_引腳電壓低于0.8V內(nèi)部參考電壓時(shí)，器件將FB_電壓調(diào)節(jié)到SS_引腳電壓，而不是0.8V內(nèi)部固定參考電壓。通過(guò)將外部電容從SS_引腳連接到GND，可以使用SS_引腳來(lái)編程輸出電壓的軟啟動(dòng)時(shí)間。內(nèi)部5μA上拉電流對(duì)該電容充電，在SS_引腳上產(chǎn)生電壓斜坡，隨著SS_電壓從0線性上升到0.8V，輸出電壓從0平穩(wěn)上升到最終值。此外，SS_引腳還可以用于在啟動(dòng)時(shí)跟蹤另一個(gè)電源的輸出，這需要將SS_引腳連接到一個(gè)從需要跟蹤的電源到GND的外部電阻分壓器。

5. 輕載電流操作（SKIP）

MAX17548可以配置為不連續(xù)導(dǎo)通（DCM）模式以實(shí)現(xiàn)高光載效率，或固定頻率脈沖寬度調(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。

DCM模式

在DCM模式下，IC在每個(gè)開關(guān)周期中接近電感電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)關(guān)閉調(diào)節(jié)器的低側(cè)MOSFET，從而最小化電感中的負(fù)電流，減少?gòu)妮敵龅捷斎氲碾娏髁鲃?dòng)導(dǎo)致的損耗。因此，每個(gè)周期的電感電流是一個(gè)三角波形，其峰值與負(fù)載電流需求成正比?？刂破髟谡{(diào)整電感中的峰值電流以適應(yīng)負(fù)載和輸入電壓變化時(shí)以恒定頻率運(yùn)行。然而，在輕載和/或高輸入電壓條件下，控制器存在最小導(dǎo)通時(shí)間約束。最小導(dǎo)通時(shí)間是控制器能夠產(chǎn)生的最小可控脈沖寬度，這對(duì)電感中可編程的峰值電感電流施加了下限，并導(dǎo)致一定量的能量被輸送到輸出，而不管負(fù)載的能量需求如何。如果負(fù)載使得在最小導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)輸送的能量超過(guò)負(fù)載能量，輸出電壓將高于其標(biāo)稱設(shè)定值，從而導(dǎo)致跳過(guò)開關(guān)周期以將平均輸出電壓調(diào)節(jié)到設(shè)定點(diǎn)。這種操作導(dǎo)致有效開關(guān)頻率低于編程的開關(guān)頻率，從而提高了調(diào)節(jié)器效率。當(dāng)負(fù)載電流增加到電感電流谷值高于零的點(diǎn)時(shí)，調(diào)節(jié)器操作進(jìn)入PWM模式。

PWM模式

當(dāng)SKIP連接到VCCINT時(shí)，器件的每個(gè)控制器都在PWM模式下運(yùn)行。在這種模式下，電感電流允許為負(fù)。在正常工作條件下，高側(cè)MOSFET在內(nèi)部時(shí)鐘的邊緣開啟。內(nèi)部誤差放大器將FB_引腳的反饋電壓與固定的內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，并產(chǎn)生誤差電流。該誤差電流流經(jīng)COMP_引腳的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，并為內(nèi)部電流環(huán)路生成控制電壓。開關(guān)周期中高側(cè)MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間通過(guò)將COMP引腳的控制電壓與CS + 、CS_ - 處的電流檢測(cè)電壓和內(nèi)部斜率補(bǔ)償電壓之和進(jìn)行比較來(lái)確定。在高側(cè)MOSFET導(dǎo)通期間，電感電流上升；高側(cè)MOSFET關(guān)閉后，低側(cè)MOSFET開啟，電感電流下降。低側(cè)MOSFET保持導(dǎo)通直到下一個(gè)時(shí)鐘邊緣。PWM模式的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓紋波低和恒定頻率運(yùn)行，這在對(duì)工作頻率敏感的應(yīng)用中非常有益。在DCM模式部分描述的最小導(dǎo)通時(shí)間條件下，器件在PWM模式下也會(huì)跳過(guò)高側(cè)開啟事件，以調(diào)節(jié)輸出電壓，這導(dǎo)致電感電流和輸出電壓紋波波形的低頻運(yùn)行。

6. 頻率選擇（RT）

開關(guān)頻率的選擇是效率和組件尺寸之間的權(quán)衡。低頻操作通過(guò)減少M(fèi)OSFET開關(guān)損耗和柵極驅(qū)動(dòng)損耗來(lái)提高效率，但需要更大的電感和/或電容來(lái)保持低輸出紋波電壓。器件的開關(guān)頻率可以使用RT引腳在100kHz至2.2MHz之間編程。將RT連接到VCCINT可編程默認(rèn)頻率為535kHz的開關(guān)頻率，連接到GND可編程350kHz的開關(guān)頻率?？梢允褂霉?(R{RT}=frac{f{SW}+133}{8.8}) 來(lái)計(jì)算給定開關(guān)頻率所需的電阻。

7. 0至180°相位操作

IC允許用戶配置器件兩個(gè)輸出通道之間的相移。根據(jù)SEL_PH引腳的設(shè)置，可以選擇不同的相移配置。當(dāng)SEL_PH連接到VCCINT時(shí)，LX1/LX2為0°/0°；當(dāng)SEL_PH開路時(shí)，LX1/LX2為0°/180°。180°相移操作的優(yōu)點(diǎn)包括減少輸入和輸出電容的RMS電流以及降低輸入電壓紋波。

8. 輸出過(guò)壓保護(hù)

輸出過(guò)壓保護(hù)電路在輸出過(guò)壓條件下保護(hù)負(fù)載。如果輸出電壓上升超過(guò)其標(biāo)稱值的10%，高側(cè)MOSFET將關(guān)閉，直到過(guò)壓條件消除。低側(cè)MOSFET在輸出過(guò)壓條件下的狀態(tài)取決于所選的操作模式。如果選擇PWM模式，低側(cè)MOSFET將保持導(dǎo)通直到過(guò)壓條件消除，此時(shí)通過(guò)低側(cè)MOSFET的電流可能會(huì)達(dá)到較大值，具體取決于過(guò)壓量和輸出電容。如果選擇DCM模式，當(dāng)電感電流達(dá)到零時(shí)，低側(cè)MOSFET將關(guān)閉，并且每10個(gè)時(shí)鐘周期開啟一次以刷新BST_電容，這會(huì)導(dǎo)致略微負(fù)的平均電感電流，除了存在的負(fù)載電流外，還可以緩慢放電輸出。

9. 電源良好（PGOOD1和PGOOD2）引腳

IC具有獨(dú)立的開漏電源良好（PGOOD1、PGOOD2）引腳。當(dāng)相應(yīng)的FB_引腳電壓在0.8V參考電壓的±10%范圍之外時(shí)，PGOOD_引腳拉低。在軟啟動(dòng)期間，PGOOD_為低電平。當(dāng)FB_引腳電壓在參考電壓的 - 10%范圍內(nèi)時(shí)，PGOOD_可以通過(guò)外部電阻上拉至不大于6V的電源電壓。

10. 折返電流限制

在過(guò)載條件下，當(dāng)輸出電壓降至其標(biāo)稱水平的70%以下時(shí)，折返電流限制將被激活。在這種模式下，峰值電感電流將從編程值的100%逐步降低到50%，與FB_電壓成比例。在軟啟動(dòng)期間，折返電流限制模式被禁用。

11. 峰值電流限制編程（ILIM）

IC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(jí)邏輯輸入，不同的ILIM引腳配置對(duì)應(yīng)不同的逐周期峰值正電流限制閾值和電流檢測(cè)放大器增益。在過(guò)載或短路條件下，IC將電流檢測(cè)引腳兩端的逐周期峰值電流檢測(cè)電壓調(diào)節(jié)到使用ILIM引腳設(shè)置的峰值電流限制閾值，直到輸出電壓降至其標(biāo)稱值的約70%。如果輸出電壓降至其標(biāo)稱值的70%以下，折返電流限制操作將開始，此時(shí)峰值電流限制閾值將與輸出電壓的下降成比例降低，如在FB_引腳處測(cè)量的那樣。

12. 啟動(dòng)到預(yù)偏置輸出

IC支持單調(diào)啟動(dòng)到預(yù)偏置輸出電壓。在啟動(dòng)期間，如果FB_引腳電壓高于SS_引腳電壓，高側(cè)MOSFET將保持關(guān)閉，低側(cè)MOSFET每10個(gè)時(shí)鐘周期開啟150ns以刷新BST_電容，這會(huì)導(dǎo)致略微負(fù)的平均電感電流，可緩慢放電輸出。一旦SS_引腳電壓達(dá)到FB_電壓，正常軟啟動(dòng)操作將開始，輸出電壓將從預(yù)偏置值平穩(wěn)上升。

六、應(yīng)用信息

1. 設(shè)置輸入欠壓鎖定電平

EN_引腳可以用作輸入欠壓鎖定檢測(cè)器，典型遲滯為100mV。通過(guò)將電阻分壓器連接到相應(yīng)的EN引腳，從IN到GND，可以設(shè)置IC每個(gè)控制器開啟的輸入電壓。計(jì)算公式為 (R1 = R2 × frac{(VIN{UVLO}-1.25)}{1.25}) ，其中 (VIN_{UVLO}) 是控制器應(yīng)啟用的輸入電壓。

2. 設(shè)置輸出電壓

每個(gè)控制器的輸出電壓通過(guò)將電阻分壓器連接到FB_引腳，從相應(yīng)的輸出到GND來(lái)設(shè)置。選擇R1時(shí)，需要考慮FB泄漏對(duì)輸出電壓的偏移，計(jì)算公式為 (R1 leq frac{alpha}{I{FB}}) ，其中 (I_{FB}) 是FB泄漏電流（最大±100nA）。計(jì)算R2的公式為 (R2 = frac{R1}{(frac{V{OUT}}{0.8}-1)}) 。

3. 軟啟動(dòng)電容

軟啟動(dòng)時(shí)間通過(guò)將電容從SS_引腳連接到GND來(lái)編程。內(nèi)部5μA電流源對(duì)SS引腳的電容充電，為輸出電壓參考提供線性斜坡電壓。軟啟動(dòng)時(shí)間的計(jì)算公式為 (t{SS}=C_{SS} × frac{0.8V}{5mu A}) 。

4. 電感選擇

選擇輸出電感時(shí)，需要指定三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：電感值（L）、電感飽和電流（ISAT）和電感的直流電阻（DCR）。所需的電感值（L）根據(jù)電感峰峰值紋波交流