MAX1830/MAX1831：高效低電壓降壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計與應(yīng)用

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，降壓調(diào)節(jié)器是至關(guān)重要的組件。今天，我們將深入探討MAX1830/MAX1831這兩款3A、1MHz的低電壓降壓調(diào)節(jié)器，它們具備同步整流和內(nèi)部開關(guān)，為筆記本和亞筆記本電腦等設(shè)備的電源轉(zhuǎn)換提供了出色的解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

MAX1830/MAX1831是恒定關(guān)斷時間、脈寬調(diào)制（PWM）的降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，非常適合5V和3.3V到低電壓的轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于筆記本和亞筆記本電腦中。其內(nèi)部同步整流技術(shù)提高了效率，減少了組件數(shù)量，無需外部肖特基二極管。內(nèi)部的45mΩ PMOS功率開關(guān)和55mΩ NMOS同步整流開關(guān)能夠輕松提供高達(dá)3A的連續(xù)負(fù)載電流。

輸出電壓

MAX1830可產(chǎn)生預(yù)設(shè)的+2.5V、+1.8V或+1.5V輸出電壓，也可實現(xiàn)從+1.1V到VIN的可調(diào)輸出；MAX1831則能產(chǎn)生預(yù)設(shè)的+3.3V、+2.5V和+1.5V輸出電壓，同樣支持+1.1V到VIN的可調(diào)輸出。兩款器件的效率最高可達(dá)94%。

工作模式

采用獨(dú)特的電流模式、恒定關(guān)斷時間的PWM控制方案，包含Idle Mode?，可在輕載運(yùn)行時保持高效率?？?a href="http://www.makelele.cn/v/tag/1315/" target="_blank">編程的恒定關(guān)斷時間架構(gòu)可將開關(guān)頻率設(shè)置高達(dá)1MHz，用戶能夠在效率、輸出開關(guān)噪聲、組件尺寸和成本之間優(yōu)化性能折衷。

其他特性

• 具備連續(xù)輸出電流高達(dá)3A的能力。
• 內(nèi)部數(shù)字軟啟動功能可限制啟動時的浪涌電流。
• 支持100%占空比模式，適用于低壓差操作。
• 低功耗關(guān)斷模式可將輸入與輸出斷開，使電源電流降至1μA以下。
• 采用16引腳QSOP封裝。

二、電氣特性

輸入輸出電壓

輸入電壓范圍為+3V至+5.5V，不同的FBSEL設(shè)置可得到不同的預(yù)設(shè)輸出電壓，同時也支持可調(diào)輸出電壓范圍從+1.1V到VIN。

精度與效率

輸出精度為±1.5%，效率最高可達(dá)94%，在不同的輸入電壓和負(fù)載條件下都能保持較好的性能。

開關(guān)參數(shù)

開關(guān)頻率最高可達(dá)1MHz，PMOS和NMOS開關(guān)的導(dǎo)通電阻在不同輸入電壓下有不同的值，如在VIN = +4.5V時，PMOS開關(guān)導(dǎo)通電阻為45mΩ，NMOS為55mΩ；在VIN = +3V時，PMOS為50mΩ，NMOS為55mΩ。

其他參數(shù)

還包括空載電源電流、關(guān)斷電源電流、熱關(guān)斷閾值、欠壓鎖定閾值等一系列電氣參數(shù)，這些參數(shù)共同保證了器件的穩(wěn)定運(yùn)行。

三、工作模式

恒定關(guān)斷時間模式

當(dāng)PMOS開關(guān)中的電流大于Idle Mode閾值電流（對應(yīng)負(fù)載電流為Idle Mode閾值的一半）時，進(jìn)入恒定關(guān)斷時間模式。在此模式下，調(diào)節(jié)比較器在每個關(guān)斷時間結(jié)束時開啟PMOS開關(guān)，使器件保持連續(xù)導(dǎo)通模式。PMOS開關(guān)保持開啟，直到輸出達(dá)到調(diào)節(jié)狀態(tài)或達(dá)到電流限制。當(dāng)PMOS開關(guān)關(guān)閉時，它將保持關(guān)閉狀態(tài)，直到達(dá)到編程的關(guān)斷時間（tOFF）。在短路情況下，當(dāng)VOUT < VOUT(NOM) / 4時，PMOS開關(guān)將保持關(guān)閉約4 x tOFF。

Idle Mode

在輕載情況下，器件切換到脈沖跳過的Idle Mode以提高效率。當(dāng)PMOS開關(guān)中的電流小于Idle Mode閾值電流時，進(jìn)入此模式。Idle Mode會使PMOS保持開啟，直到開關(guān)中的電流達(dá)到Idle Mode閾值，從而減少輕載下降低效率的不必要開關(guān)操作。在此模式下，器件以不連續(xù)導(dǎo)通方式運(yùn)行，電流檢測電路會監(jiān)控NMOS同步開關(guān)中的電流，在電流反向之前將其關(guān)閉，防止電流通過電感和NMOS開關(guān)從輸出濾波器流向地。

100%占空比操作

當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時，占空比增加，直到PMOS MOSFET持續(xù)導(dǎo)通。100%占空比下的壓差電壓是輸出電流乘以內(nèi)部PMOS開關(guān)的導(dǎo)通電阻和電感中的寄生電阻。只要未達(dá)到電流限制，PMOS開關(guān)將持續(xù)導(dǎo)通。

四、設(shè)計要點

組件選擇

• 電感選擇：關(guān)鍵參數(shù)包括電感值（L）和峰值電流（IPEAK）。電感值可通過公式 (L=frac{V{OUT } × t{OFF }}{I_{OUT } × LIR }) 計算，其中LIR是峰 - 峰電感交流電流（紋波電流）與最大直流負(fù)載電流的比值，通常取0.25。選擇的電感飽和電流應(yīng)至少等于峰值電感電流，且在所選工作頻率下具有低損耗。
• 電容選擇：輸入濾波電容應(yīng)選擇低ESR和低ESL的電容，距離IN引腳不超過5mm，根據(jù)RMS輸入紋波電流要求和電壓額定值選擇。輸出濾波電容會影響輸出電壓紋波、輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和反饋環(huán)路穩(wěn)定性，穩(wěn)定運(yùn)行時需要滿足一定的條件，如最小輸出紋波電壓 (VRIPPLE ≥1 %) ? VOUT，最小ESR (ESR >1 % × frac{L}{t{OFF }}) ，以及 (C{OUT } geq frac{t{OFF }}{V{OUT }} 79 mu FV / mu s) 。

輸出電壓設(shè)置

MAX1830/MAX1831的輸出可以在三個預(yù)設(shè)輸出電壓中選擇。對于預(yù)設(shè)輸出電壓，將FB連接到輸出電壓，并根據(jù)表2連接FBSEL。對于可調(diào)輸出電壓，將FBSEL連接到GND，并將FB連接到輸出電壓和地之間的電阻分壓器。

開關(guān)頻率和關(guān)斷時間編程

開關(guān)頻率由輸入和輸出電壓以及連接在TOFF和GND之間的RTOFF的值決定。可通過公式 (t{OFF }=frac{left(V{IN }-V{OUT }-V{PMOS }right)}{fPWMleft(V{IN }-V{PMOS }+V{NMOS }right)}) 選擇關(guān)斷時間，再根據(jù)公式 (RTOFF =(t{OFF }-0.07 mu s)(110 k Omega / 1.00 mu s)) 選擇RTOFF。

五、熱管理與布局

熱管理

熱阻與IC引腳周圍的銅面積密切相關(guān)，MAX1830/MAX1831評估套件在無強(qiáng)制氣流的情況下，0.7in2的銅面積熱阻為+71°C/W，氣流可顯著降低結(jié) - 環(huán)境熱阻。功率耗散主要由兩個內(nèi)部功率開關(guān)的傳導(dǎo)損耗決定，可通過相關(guān)公式計算。當(dāng)超過熱限制時，器件會進(jìn)入熱關(guān)斷以防止損壞。

電路布局

良好的布局對于實現(xiàn)MAX1830/MAX1831的預(yù)期輸出功率水平、高效率和低噪聲至關(guān)重要。要點包括：

• 最小化開關(guān)電流和大電流接地環(huán)路，將輸入電容的接地、輸出電容的接地和PGND連接，并在一點連接到GND。
• 輸入濾波電容距離IN引腳小于5mm，連接銅跡線寬度至少1mm，優(yōu)選2.5mm。
• 將LX節(jié)點組件盡可能靠近器件放置，以減少電阻和開關(guān)損耗以及噪聲。
• 使用接地平面，在多層板中充分利用各層，避免大交流電流通過接地平面。

六、總結(jié)

MAX1830/MAX1831降壓調(diào)節(jié)器憑借其高效的同步整流、內(nèi)部開關(guān)和多種工作模式，為低電壓電源轉(zhuǎn)換提供了可靠的解決方案。在設(shè)計過程中，合理選擇組件、正確設(shè)置輸出電壓和開關(guān)頻率、做好熱管理和電路布局，能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，滿足不同應(yīng)用場景的需求。各位工程師在實際應(yīng)用中，不妨根據(jù)具體需求對這些要點進(jìn)行深入研究和優(yōu)化，你在使用過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。