探索MAX5065/MAX5067：雙相平均電流模式控制器的卓越性能與應(yīng)用

在電子工程師的設(shè)計(jì)世界里，電源管理始終是核心課題。今天，我們將深入探討MAXIM推出的兩款雙相PWM控制器——MAX5065和MAX5067，它們?cè)诟咻敵鲭娏鲬?yīng)用中展現(xiàn)出了出色的性能。

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一、產(chǎn)品概述

MAX5065/MAX5067采用雙相平均電流模式控制，能在緊湊封裝中提供高輸出電流能力，且所需外部組件極少。這種控制模式可實(shí)現(xiàn)低RDS(ON) MOSFET的最優(yōu)利用，即使在輸出大電流時(shí)也無(wú)需外部散熱片。

關(guān)鍵特性

1. 輸入電壓范圍廣：支持+4.75V至+5.5V或+8V至+28V的輸入電壓范圍，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
2. 輸出電壓可調(diào)：MAX5065輸出電壓可調(diào)范圍為+0.6V至+3.3V，MAX5067為+0.8V至+3.3V，滿足不同負(fù)載需求。
3. 高輸出電流：可達(dá)60A的輸出電流，能應(yīng)對(duì)高功率負(fù)載。
4. 內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器：為+12V或+24V電源總線提供內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)。
5. 可編程自適應(yīng)輸出電壓定位：實(shí)現(xiàn)最佳瞬態(tài)響應(yīng)。
6. 真差分遠(yuǎn)程輸出傳感：確保輸出電壓的精確控制。
7. 異相控制器：減少輸入電容需求，分散功率耗散。
8. 平均電流模式控制：各相和并聯(lián)模塊之間實(shí)現(xiàn)卓越的電流共享。
9. 精確電流限制：避免MOSFET和電感降額。
10. 反向電流限制：在并聯(lián)模塊中限制反向電流吸收。
11. 集成4A柵極驅(qū)動(dòng)器：提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力。
12. 可選固定頻率：每相可選250kHz或500kHz（兩相最高可達(dá)1MHz）。
13. 外部頻率同步：支持125kHz至600kHz的外部頻率同步。
14. 內(nèi)部PLL與時(shí)鐘輸出：用于并聯(lián)多個(gè)DC - DC轉(zhuǎn)換器。
15. 熱保護(hù)：保障器件在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。

封裝形式

MAX5065采用28引腳SSOP封裝，MAX5067采用44引腳薄型QFN封裝。

二、工作原理

控制環(huán)路

MAX5065/MAX5067采用平均電流模式控制方案來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，主要控制環(huán)路由內(nèi)部電流環(huán)路和外部電壓環(huán)路組成。

• 內(nèi)部電流環(huán)路：由電流感測(cè)電阻、電流感測(cè)放大器、電流誤差放大器、振蕩器和PWM比較器組成。電流感測(cè)放大器將感測(cè)電阻上的電壓放大18倍，電流誤差放大器輸出是電壓誤差放大器輸出與電流感測(cè)放大器增益電壓的差值。RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接到CLP1和CLP2，為電流誤差放大器提供外部頻率補(bǔ)償。
• 外部電壓控制環(huán)路：由差分放大器、參考電壓和電壓誤差放大器組成。差分放大器提供輸出電壓的真差分遠(yuǎn)程傳感，其輸出連接到電壓誤差放大器的反相輸入，電壓誤差放大器的同相輸入連接到內(nèi)部精密參考電壓（MAX5065為+0.6V，MAX5067為+0.8V），電壓誤差放大器控制兩個(gè)內(nèi)部電流環(huán)路。

內(nèi)部振蕩器與PLL

內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）電路所需的180°異相時(shí)鐘信號(hào)和2VP - P電壓斜坡信號(hào)。CLKIN是PLL的CMOS邏輯時(shí)鐘輸入，當(dāng)外部驅(qū)動(dòng)時(shí)，內(nèi)部振蕩器鎖定到CLKIN信號(hào)。CLKOUT提供相對(duì)于CLKIN信號(hào)上升沿的相移輸出，PHASE引腳可設(shè)置CLKOUT的相移量。

自適應(yīng)電壓定位

電壓定位可減少滿足給定瞬態(tài)響應(yīng)要求所需的輸出電容器總數(shù)。通過(guò)設(shè)置空載輸出電壓略高于標(biāo)稱負(fù)載條件下的輸出電壓，當(dāng)輸出電流突然增加時(shí)，允許更大的電壓下降；在重負(fù)載下以較低輸出電壓調(diào)節(jié)，當(dāng)輸出電流突然減小時(shí)，允許更大的電壓上升?？赏ㄟ^(guò)電壓誤差放大器的電阻反饋設(shè)置電壓定位窗口。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 服務(wù)器和工作站：滿足高功率、高穩(wěn)定性的電源需求。
2. 負(fù)載點(diǎn)高電流/高密度電信DC - DC調(diào)節(jié)器：適應(yīng)電信設(shè)備的嚴(yán)格要求。
3. 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。
4. 大容量?jī)?nèi)存陣列RAID系統(tǒng)：保障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的可靠運(yùn)行。
5. 高端臺(tái)式計(jì)算機(jī)：滿足高性能計(jì)算機(jī)的電源需求。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

組件選擇

1. 電感選擇：開(kāi)關(guān)頻率、每相峰 - 峰紋波電流和輸出允許紋波決定電感值。較高的開(kāi)關(guān)頻率可降低電感要求，但會(huì)降低效率；較低的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)增加峰 - 峰電感紋波電流，但多相拓?fù)渲械募y波抵消可降低輸入和輸出電容的RMS紋波電流?？墒褂霉?L{MIN }=frac{left(V{INMAX }-V{OUT }right) × V{OUT }}{V{IN } × f{SW} × Delta I_{L}})確定最小電感值，選擇電感時(shí)應(yīng)確保其飽和電流大于最壞情況下的峰值電感電流。
2. 開(kāi)關(guān)MOSFET選擇：選擇MOSFET時(shí)需考慮總柵極電荷、RDS(ON)、功率耗散和封裝熱阻?？墒褂孟嚓P(guān)公式估算MOSFET的功率損耗，并確保MOSFET封裝的熱阻使結(jié)溫至少比絕對(duì)最大額定值低25°C。
3. 輸入電容器選擇：降壓轉(zhuǎn)換器的不連續(xù)輸入電流波形會(huì)在輸入電容器中產(chǎn)生大紋波電流，開(kāi)關(guān)頻率、峰值電感電流和允許的峰 - 峰電壓紋波決定電容要求。增加相數(shù)可提高有效開(kāi)關(guān)頻率，降低輸入電容要求?？墒褂霉?C{IN}=frac{frac{I{OUT }}{N} × D(1-D)}{Delta V{Q} × f{S W}})和(ESR{IN}=frac{left(Delta V{ESR}right)}{left(frac{OUT }{N}+frac{Delta L}{2}right)})計(jì)算輸入電容和ESR。
4. 輸出電容器選擇：最壞情況下的峰 - 峰和電容RMS紋波電流、允許的峰 - 峰輸出紋波電壓以及階躍負(fù)載期間輸出電壓的最大偏差決定輸出電容和ESR要求。多相轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，各相的紋波電流相互抵消，降低了紋波電流。可根據(jù)不同相數(shù)和占空比選擇合適的公式計(jì)算峰 - 峰輸出紋波，并使用公式(C{OUT }=frac{I{STEP } × t{RESPONSE }}{Delta V{Q}})和(ESR{OUT }=frac{Delta V{ESR}}{I_{STEP }})計(jì)算所需的ESR和電容值。
5. 電流限制：平均電流模式控制技術(shù)可準(zhǔn)確限制最大輸出電流，可使用公式(R_{SENSE }=frac{0.045}{frac{ OUT }{N}})計(jì)算電流感測(cè)電阻值。
6. 反向電流限制：當(dāng)VBUS高于預(yù)設(shè)輸出電壓時(shí)，MAX5065/MAX5067可限制反向電流，可根據(jù)公式(REVERSE =frac{2 × V_{CLR}}{RSENSE })計(jì)算最大反向電流。

補(bǔ)償設(shè)計(jì)

主控制環(huán)路由內(nèi)部電流環(huán)路和外部電壓環(huán)路組成，通過(guò)電阻反饋設(shè)置電壓誤差放大器的增益，確保電感下降斜率不超過(guò)斜坡斜率，避免次諧波振蕩?？墒褂孟嚓P(guān)公式計(jì)算補(bǔ)償電阻和電容值。

PCB布局

1. 將VIN和VCC旁路電容器靠近MAX5065/MAX5067放置。
2. 最小化輸入電容、上開(kāi)關(guān)MOSFET、電感和輸出電容到輸入電容負(fù)端的高電流環(huán)路面積和長(zhǎng)度。
3. 縮短下開(kāi)關(guān)MOSFET、電感和輸出電容的電流環(huán)路。
4. 將肖特基二極管靠近下MOSFET放置在PCB同一側(cè)。
5. 使SGND和PGND隔離，并在靠近輸入濾波電容負(fù)端的單點(diǎn)連接。
6. 使電流感測(cè)線CS +和CS - 以及遠(yuǎn)程電壓感測(cè)線SENSE +和SENSE - 彼此靠近，避免穿過(guò)功率電路。
7. 避免VCC旁路電容器、MAX5065/MAX5067的驅(qū)動(dòng)器輸出、MOSFET柵極和PGND引腳之間的長(zhǎng)走線，最小化相關(guān)環(huán)路面積。
8. 將輸出電容器組靠近負(fù)載放置。
9. 在電路板上均勻分布功率組件，以實(shí)現(xiàn)良好的散熱。
10. 在開(kāi)關(guān)MOSFET、電感和感測(cè)電阻周圍提供足夠的銅面積，以輔助散熱。
11. 使用至少4oz銅，以最小化走線電感和電阻。

五、保護(hù)功能

過(guò)壓保護(hù)（MAX5067）

OVP比較器將OVPIN輸入與過(guò)壓閾值（通常為+0.8V）進(jìn)行比較，檢測(cè)到過(guò)壓事件時(shí)，將比較器輸出鎖定，使功率級(jí)進(jìn)入OVP狀態(tài)，此時(shí)高端MOSFET關(guān)閉，低端MOSFET鎖定導(dǎo)通。可使用OVPOUT高電流輸出驅(qū)動(dòng)器觸發(fā)外部撬棒SCR，以保護(hù)外部電路。

電源良好發(fā)生器（MAX5067）

PGOOD輸出在滿足以下條件時(shí)為高：輸出在編程輸出電壓的90%至108%范圍內(nèi)；兩相都提供電流；EN為高。窗口比較器監(jiān)控輸出電壓的過(guò)壓和欠壓情況，相故障比較器檢測(cè)相故障。

相故障檢測(cè)器（MAX5067）

正常工作時(shí)，CLP_上的電壓在PWM斜坡的峰 - 峰電壓范圍內(nèi)。若某一相發(fā)生故障，控制環(huán)路會(huì)將CLP_電壓提高到其工作范圍之外。相故障檢測(cè)電路監(jiān)控電流放大器的輸出（CLP1和CLP2），并將其與2.0V參考電壓進(jìn)行比較，若CLP1或CLP2上的電壓高于參考電壓超過(guò)1250個(gè)時(shí)鐘周期，相故障電路將使PGOOD輸出為低。

六、并聯(lián)操作

對(duì)于需要大輸出電流的應(yīng)用，可并聯(lián)多達(dá)三個(gè)MAX5065/MAX5067（六個(gè)相）以將可用輸出電流增加三倍。并聯(lián)轉(zhuǎn)換器以相同的開(kāi)關(guān)頻率但不同的相位工作，可將電容紋波RMS電流降至最低?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置PHASE引腳來(lái)調(diào)整相移，選擇合適的相移可使輸入和輸出電容的紋波電流最小。

七、總結(jié)

MAX5065/MAX5067雙相平均電流模式控制器憑借其出色的性能、豐富的功能和靈活的應(yīng)用方式，為電子工程師在電源管理設(shè)計(jì)中提供了強(qiáng)大的工具。在實(shí)際應(yīng)用中，合理選擇組件、進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)和優(yōu)化PCB布局，可充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，滿足各種高功率、高性能的電源需求。你在使用MAX5065/MAX5067過(guò)程中遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。