深入解析MAX1875/MAX1876：雙路180°反相PWM降壓控制器

在電源管理領(lǐng)域，高效且穩(wěn)定的降壓控制器一直是電子工程師們追求的關(guān)鍵組件。今天，我們就來(lái)深入探討一下Maxim公司的MAX1875/MAX1876雙路180°反相PWM降壓控制器，它擁有諸多出色特性，能滿(mǎn)足多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

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一、產(chǎn)品概述

MAX1875/MAX1876可以從4.75V至23V的輸入電源生成兩個(gè)獨(dú)立的輸出，每個(gè)輸出電壓可在亞1V到18V之間調(diào)節(jié)，并且能夠支持10A或更高的負(fù)載。其采用同步180°反相工作模式，有效降低了輸入電壓紋波和總RMS輸入紋波電流。同時(shí)，該控制器的開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)外部電阻在100kHz至600kHz之間調(diào)節(jié)，還能與外部時(shí)鐘同步。它還具備軟啟動(dòng)和軟停止功能，并且利用低端MOSFET的導(dǎo)通電阻作為電流感應(yīng)元件，無(wú)需使用電流感應(yīng)電阻。

二、主要特性

2.1 雙獨(dú)立輸出電壓

能夠提供兩個(gè)獨(dú)立可調(diào)的輸出電壓，滿(mǎn)足不同負(fù)載的供電需求，適用于復(fù)雜的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.2 反相工作模式

• 180°反相工作：降低了輸入濾波要求、電磁干擾（EMI），提高了效率，減少了組件成本和電路板空間。
• 90°反相工作（使用兩個(gè)MAX1875/MAX1876）：可以實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)的兩相或四相系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化電源性能。

  2.3 折返電流限制

  在短路情況下，可調(diào)的折返電流限制能夠降低功耗，保護(hù)電路組件。

  2.4 寬輸入輸出范圍

• 輸入電源范圍為4.75V至23V，輸出電壓范圍為0至18V（最高10A），適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 效率超過(guò)90%，能有效降低功耗，提高能源利用率。

  2.5 可調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)頻率

  開(kāi)關(guān)頻率可在100kHz至600kHz之間調(diào)節(jié)，可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，支持外部同步輸入和時(shí)鐘輸出，方便實(shí)現(xiàn)主從同步。

  2.6 其他特性

  具有軟啟動(dòng)和軟停止功能，可減少啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊；MAX1876還帶有復(fù)位輸出（RST），可在兩個(gè)輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)。

三、工作原理

3.1 DC - DC PWM控制

MAX1875/MAX1876采用PWM電壓模式控制方案，通過(guò)對(duì)內(nèi)部振蕩器或外部時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻來(lái)生成時(shí)鐘信號(hào)，每個(gè)控制器的開(kāi)關(guān)頻率等于振蕩器頻率的一半。內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器在COMP引腳產(chǎn)生積分誤差電壓，通過(guò)PWM比較器和斜坡發(fā)生器設(shè)置占空比。當(dāng)電感電流超過(guò)所選的谷底電流限制時(shí)，高端MOSFET不會(huì)在時(shí)鐘邊沿導(dǎo)通，低端MOSFET保持導(dǎo)通，使電感電流下降。

3.2 同步反相工作

兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器以180°反相工作，降低了輸入濾波要求和EMI，提高了效率。相比同相工作的雙開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，反相工作模式使兩個(gè)調(diào)節(jié)器的瞬時(shí)輸入電流峰值不再重疊，減少了RMS紋波電流和輸入電壓紋波，降低了對(duì)輸入電容的紋波電流額定要求。

3.3 內(nèi)部5V線(xiàn)性穩(wěn)壓器（VL）

所有功能由片上低壓差5V穩(wěn)壓器內(nèi)部供電，最大輸入電壓為23V。VL輸出需用4.7μF陶瓷電容旁路至PGND，當(dāng)V +大于5.5V時(shí)，VL典型值為5V。同時(shí)，該穩(wěn)壓器還具有欠壓鎖定電路，當(dāng)VL低于4.5V時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器將被禁用。

3.4 高端柵極驅(qū)動(dòng)電源（BST_）

高端N溝道開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓由飛電容升壓電路產(chǎn)生。啟動(dòng)時(shí)，同步整流器（低端MOSFET）將LX_接地，將升壓電容充電至5V；在第二個(gè)半周期，低端MOSFET關(guān)閉后，高端MOSFET通過(guò)閉合BST_和DH_之間的內(nèi)部開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，提供必要的柵源電壓。

3.5 MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器（DH, DL）

DH和DL驅(qū)動(dòng)器針對(duì)驅(qū)動(dòng)中等大小的N溝道高端和較大的低端功率MOSFET進(jìn)行了優(yōu)化。DL_低端驅(qū)動(dòng)波形始終是DH_高端驅(qū)動(dòng)波形的互補(bǔ)（具有受控的死區(qū)時(shí)間，防止交叉導(dǎo)通）。自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間電路可監(jiān)測(cè)DL_輸出，確保高端FET在DL_完全關(guān)閉后才導(dǎo)通。

3.6 電流限制電路（ILIM_）

采用“谷底”電流傳感算法，利用低端MOSFET的導(dǎo)通電阻作為電流傳感元件。當(dāng)電流傳感信號(hào)高于電流限制閾值時(shí)，控制器不會(huì)啟動(dòng)新的周期。電流限制閾值可通過(guò)外部電阻在ILIM_引腳進(jìn)行調(diào)節(jié)，范圍為50mV至300mV。

3.7 欠壓鎖定和啟動(dòng)

當(dāng)VL低于4.5V時(shí)，控制器激活欠壓鎖定（UVLO）電路，使DL和DH低電平，禁止開(kāi)關(guān)操作；VL高于4.5V時(shí)，控制器啟動(dòng)輸出。

3.8 使能（EN）、軟啟動(dòng)和軟停止

EN引腳為高電平時(shí)使能兩個(gè)調(diào)節(jié)器，為低電平時(shí)關(guān)閉。關(guān)閉時(shí)，電源電流降至最大1mA，LX進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，COMP通過(guò)17Ω電阻放電至GND，VL和REF保持激活。軟啟動(dòng)過(guò)程中，輸出逐漸上升至參考電壓，以控制輸出上升速率，減少啟動(dòng)時(shí)的輸入浪涌電流；軟停止過(guò)程則相反。

3.9 復(fù)位輸出（MAX1876僅）

RST為開(kāi)漏輸出，當(dāng)任一輸出低于其標(biāo)稱(chēng)調(diào)節(jié)電壓的90%時(shí)，RST拉低；兩個(gè)輸出均超過(guò)90%且軟啟動(dòng)完成后，RST變?yōu)楦咦钁B(tài)。

3.10 時(shí)鐘同步（SYNC, CKO）

SYNC有兩個(gè)功能：選擇用于同步從控制器的時(shí)鐘輸出（CKO）類(lèi)型，或作為時(shí)鐘輸入使控制器與外部時(shí)鐘信號(hào)同步。CKO可提供與開(kāi)關(guān)頻率同步的時(shí)鐘信號(hào)，支持同相或90°反相同步。

3.11 熱過(guò)載保護(hù)

當(dāng)器件的管芯結(jié)溫超過(guò)+160°C時(shí)，片上熱傳感器將關(guān)閉器件，使DL_和DH_低電平，器件冷卻后再重新開(kāi)啟。

四、設(shè)計(jì)步驟

4.1 有效輸入電壓范圍

實(shí)際輸入電壓范圍受控制器占空比限制。最大輸入電壓受最小導(dǎo)通時(shí)間限制，最小輸入電壓受開(kāi)關(guān)頻率和最小關(guān)斷時(shí)間限制。

4.2 設(shè)置輸出電壓

對(duì)于1V或更高的輸出電壓，可通過(guò)連接從輸出到FB_到GND的分壓器來(lái)設(shè)置；對(duì)于低于1V的輸出電壓，可連接從輸出到FB_到REF的分壓器。

4.3 設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率

開(kāi)關(guān)頻率等于振蕩器頻率的一半，內(nèi)部振蕩器頻率由連接在OSC到GND的電阻（ROSC）設(shè)置。當(dāng)使用外部同步信號(hào)時(shí)，ROSC應(yīng)設(shè)置為SYNC速率的一半。

4.4 電感選擇

電感值由開(kāi)關(guān)頻率、輸入電壓、輸出電壓和所選的電感峰 - 峰交流電流與直流平均電流之比（LIR）決定。一般選擇LIR為30%，以在尺寸和損耗之間取得較好的平衡。

4.5 電流限制設(shè)置

將ILIM連接到VL可獲得默認(rèn)的100mV（典型）電流限制閾值；若要調(diào)節(jié)閾值，可連接一個(gè)電阻（RILIM）從ILIM_到GND，調(diào)節(jié)范圍為50mV至300mV。

4.6 輸入電容選擇

輸入電容應(yīng)選擇在RMS輸入電流下溫度上升小于+10°C的電容，以確保長(zhǎng)期可靠性。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，非鉭電容（陶瓷、鋁、聚合物或OS - CON）是首選。

4.7 輸出電容選擇

輸出電容的關(guān)鍵參數(shù)是電容值、ESR和電壓額定值，這些參數(shù)會(huì)影響整體穩(wěn)定性、輸出紋波電壓和瞬態(tài)響應(yīng)。

4.8 補(bǔ)償

每個(gè)電壓模式控制器部分采用跨導(dǎo)誤差放大器，其輸出是控制環(huán)路的補(bǔ)償點(diǎn)。通過(guò)選擇合適的補(bǔ)償電阻和電容來(lái)優(yōu)化控制環(huán)路的穩(wěn)定性。

4.9 MOSFET選擇

選擇邏輯電平N溝道MOSFET，關(guān)鍵參數(shù)包括導(dǎo)通電阻、最大漏源電壓、最小閾值電壓、總柵極電荷、反向傳輸電容和功耗。要確保MAX1875/MAX1876的DL_柵極驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)MOSFET，并且MOSFET的總柵極電荷不會(huì)導(dǎo)致IC過(guò)熱。

五、應(yīng)用信息

5.1 壓差性能

在低輸入電壓下，連續(xù)導(dǎo)通操作的輸出電壓可調(diào)范圍受最小關(guān)斷時(shí)間限制。為了獲得最佳壓差性能，建議使用最低的開(kāi)關(guān)頻率（100kHz）。同時(shí)，要注意計(jì)算最小輸入電壓和負(fù)載瞬態(tài)電壓降（VSAG），以確保系統(tǒng)有足夠的瞬態(tài)響應(yīng)能力。

5.2 提高抗噪能力

在嘈雜環(huán)境中工作時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整控制器的補(bǔ)償來(lái)提高系統(tǒng)的抗噪能力，例如降低交叉頻率。

5.3 PCB布局指南

精心設(shè)計(jì)的PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)低開(kāi)關(guān)損耗和穩(wěn)定的操作至關(guān)重要。要注意隔離電源組件和模擬組件，使用星型接地連接，保持高電流路徑短，避免引入交流電流到接地平面，以及合理布線(xiàn)高速開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和敏感模擬區(qū)域。

六、總結(jié)

MAX1875/MAX1876雙路180°反相PWM降壓控制器憑借其出色的性能和豐富的特性，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的解決方案。無(wú)論是在網(wǎng)絡(luò)電源、電信電源，還是在DSP、ASIC和FPGA等電源應(yīng)用中，它都能發(fā)揮出重要作用。但在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，仔細(xì)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和布局設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。