深度剖析MAX1920/MAX1921：低電壓、400mA降壓DC - DC轉換器的卓越之選

在現代電子設備的設計中，電源管理模塊至關重要，特別是對于那些對空間和效率有嚴格要求的應用場景。今天，我們就來深入探討一款性能出色的降壓DC - DC轉換器——MAX1920/MAX1921。

文件下載：MAX1920.pdf

一、產品概述

MAX1920/MAX1921是低電壓、400mA的降壓DC - DC轉換器，采用獨特的專有電流限制控制方案，能夠在輸出低至1.25V的情況下提供超過400mA的電流，效率高達90%以上。其靜態(tài)電源電流極低，僅為50μA，同時高達1.2MHz（最大值）的工作頻率允許使用小型、低成本的外部組件。這種特性組合使它們成為空間受限應用中線性穩(wěn)壓器的高效替代品。內部同步整流大大提高了效率，并且無需傳統(tǒng)降壓轉換器中所需的外部肖特基二極管。此外，兩款器件還具備內部數字軟啟動功能，可限制啟動時的輸入電流并減少輸入電容器的要求。

MAX1920提供可調輸出電壓（1.25V至4V），而MAX1921則提供工廠預設輸出電壓。它們均采用節(jié)省空間的6引腳SOT23封裝，MAX1920還提供6引腳TDFN封裝。

二、應用領域

這款轉換器的應用范圍十分廣泛，主要包括：

• 下一代無線手持設備：如智能手機等，對電源的效率和空間占用有較高要求。
• PDA、掌上電腦和手持終端：需要高效穩(wěn)定的電源來保證設備的正常運行。
• 電池供電設備：低靜態(tài)電流可延長電池續(xù)航時間。
• CDMA功率放大器電源：能夠提供穩(wěn)定的電源輸出，滿足功率放大器的工作需求。

三、產品特性亮點

1. 高輸出能力：保證400mA的輸出電流，能滿足大多數中小功率設備的需求。
2. 高效同步整流：內部同步整流器使效率超過90%，有效降低了功耗。
3. 小封裝設計：采用6引腳SOT23封裝，對于空間受限的設計非常友好，MAX1920還提供6引腳TDFN封裝可供選擇。
4. 高開關頻率：高達1.2MHz的開關頻率，允許使用小型外部組件，進一步節(jié)省了電路板空間。
5. 低靜態(tài)電流：僅50μA的靜態(tài)電源電流，有助于延長電池壽命。
6. 邏輯控制關斷：具有0.1μA的邏輯控制關斷電流，在不使用時可大幅降低功耗。
7. 寬輸入范圍：2V至5.5V的輸入范圍，可適應多種電源供電。
8. 精準輸出電壓：MAX1921有固定的1.5V、1.8V、2.5V、3V和3.3V輸出電壓，MAX1920輸出電壓可調，且初始精度為±1.5%。
9. 軟啟動功能：軟啟動可限制啟動電流，減少對輸入電源的沖擊。

四、電氣參數詳解

這些詳細的電氣參數為工程師在設計電路時提供了精確的參考，幫助我們根據實際需求進行合理的選型和設計。

五、控制方案

MAX1920/MAX1921采用專有的電流限制控制方案，以確保高效率、快速瞬態(tài)響應和使用小型外部組件。當輸出電壓超出穩(wěn)壓范圍時，誤差比較器通過導通高端開關啟動一個開關周期。該開關保持導通狀態(tài)，直到達到400ns的最小導通時間，且輸出電壓穩(wěn)定或超過電流限制閾值。高端開關關斷后，將保持關斷狀態(tài)，直到達到400ns的最小關斷時間，且輸出電壓再次超出穩(wěn)壓范圍。在此期間，低端同步整流器導通，并保持導通狀態(tài)，直到高端開關再次導通或電感電流接近零。這種控制方案使得MAX1920/MAX1921在整個負載電流范圍內都能提供出色的性能。

在輕負載時，高端開關在最小導通時間后關斷，以減少電感峰值電流，從而提高效率并降低輸出電壓紋波。在中高輸出電流時，為了保持穩(wěn)壓，可根據需要延長導通時間或關斷時間，實現接近恒定頻率的高效運行和低輸出電壓紋波。

六、關斷模式

將SHDN引腳連接到GND可使MAX1920/MAX1921進入關斷模式，此時電源電流降至0.1μA。在關斷模式下，控制電路、內部開關MOSFET和同步整流器均關閉，LX引腳變?yōu)楦咦杩?。將SHDN引腳連接到IN則可實現正常工作。

七、軟啟動功能

MAX1920/MAX1921具備內部軟啟動電路，可限制啟動時的電流汲取，減少輸入電源的瞬態(tài)變化。軟啟動對于高阻抗輸入源（如鋰離子和堿性電池）特別有用。軟啟動通過將電流限制初始設置為其滿值的25%，并逐步以25%的步長增加，直到達到滿電流限制。這一過程在典型工作特性的軟啟動和關斷響應曲線中可以清晰看到。

八、設計步驟

1. 電壓定位：圖1和圖2的應用電路使用小型陶瓷輸出電容器。為了保證穩(wěn)定性，電路通過R1從LX節(jié)點獲取反饋，同時通過CFF進行負載瞬態(tài)前饋。由于沒有來自輸出的直流反饋，輸出電壓的負載調整率等于輸出負載電流乘以電感的串聯(lián)電阻。這種少量的負載調整類似于個人計算機中高性能微處理器電源所采用的電壓定位方式，可有效減少負載瞬態(tài)期間的下沖和過沖。
2. 電感選擇
   • 首先計算應用的最大占空比：(DutyCycle (MAX)=frac{V{OUT }}{V{IN }(MIN)} × 100 %)
   • 然后計算電感上的臨界電壓：
     • 若(DutyCycle (MAX) <50 %)，則(V{CRITICAL }=left(V{IN}(MIN)-V_{OUT }right))；
     • 否則(V{CRITICAL }=V{OUT })
   • 最后計算最小電感值：(L(MIN)=2.5 × 10^{-6} × V_{CRITICAL })

選擇比(L(MIN))大的下一個標準值。一個額定電流為550mA的電感足以防止輸出電流高達400mA時出現飽和。為了提高效率，應選擇低直流電阻的電感。文檔中給出了一些建議的電感型號和供應商，如Coilcraft的LPO1704、Sumida的CDRH3D16等。

3. 電容選擇
   • 輸入電容：對于幾乎所有應用，輸入電容(C{IN})可以使用小至2.2μF的X5R或X7R陶瓷電容。輸入電容用于過濾電壓源處的峰值電流和噪聲，因此必須滿足輸入紋波要求和電壓額定值?？赏ㄟ^公式(IN (RMS)=IOUT ( MAX ) × frac{sqrt{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}}{V_{IN }})計算最大RMS輸入電流。
   • 輸出電容：輸出電容(C_{OUT})可以是陶瓷或鉭電容，具體取決于所選的應用電路。
     • 陶瓷輸出電容：使用圖1或圖2的應用電路，計算最小電容值(C{OUT }(MIN)=2.5 × 10^{-6} × V{CRITICAL })，選擇比(C{OUT}(MIN))大的下一個標準值。雖然比(C{OUT}(MIN))大很多的值可以改善瞬態(tài)性能和穩(wěn)定性，但會增加電容的尺寸和成本。
     • 鉭輸出電容：使用圖3或圖4的應用電路，(C{OUT})的等效串聯(lián)電阻（ESR）必須足夠大以保證穩(wěn)定性。一般來說，反饋節(jié)點處25mV的ESR紋波就足夠了，簡化計算為(ESR{COUT }(MIN)=8.0 × 10^{-2} × V{OUT })。由于鉭電容很少指定最小ESR，因此應選擇典型ESR約為(ESR{COUT}(MIN))兩倍的電容。計算最小輸出電容值(C{OUT }(MIN)=1.25 × frac{L × I{OUT }( MAX )}{ESR{COUT }(MIN) × V{CRITICAL }})，選擇任何比(C_{OUT}(MIN))大的標準值。
4. 反饋和補償
   • MAX1921使用陶瓷(C_{OUT})：在使用圖1的應用電路時，電感的串聯(lián)電阻會產生少量的負載調整，這是電壓定位負載瞬態(tài)響應所期望的。選擇(R1)使得空載時(V{OUT})比負載調整的一半略高，簡化計算為(R 1=5 × 10^{4} × R{L}(M A X))，選擇一個在計算值20%以內的標準電阻值。然后計算(C{FF})以在內部反饋節(jié)點處實現25mV的紋波，簡化計算為(C{FF}=2.5 × 10^{-5} / R 1)，選擇一個在計算值(C_{FF})20%以內的標準電容值。
   • MAX1920使用陶瓷(C_{OUT})：使用圖2的應用電路時，選擇(R1)和(R2)使得空載時(V{out})比負載調整的一半略高，計算公式為(R 1=R 2 timesleft(frac{V{OUT }+R{L} × I{OUT }(M A X) / 2}{V{REF }}-1right))，其中(R2)選擇在50kΩ至500kΩ范圍內，(V{REF}=1.25V)，(R{L})是電感的典型串聯(lián)電阻，使用1%或更高精度的電阻。接著計算FB節(jié)點處的等效電阻(Req=R 1 | R 2=frac{R 1 × R 2}{R 1+R 2})，再計算(C{FF})以在FB處實現25mV的紋波，簡化計算為(C{FF}=2.5 × 10^{-5} / Reg)，選擇一個在計算值(C{FF})20%以內的標準電容值。
   • MAX1920使用鉭(C_{OUT})：使用圖4的應用電路時，選擇(R1)和(R2)以獲得所需的(V{OUT})，計算公式為(R 1=R 2 timesleft(frac{V{OUT }}{V{REF }}-1right))，其中(R2)選擇小于50kΩ，(V{REF}=1.25V)，使用1%或更高精度的電阻。

     九、布局注意事項

     由于開關頻率較高，PCB布局在設計中非常重要。良好的設計應盡量減少反饋路徑上的過度EMI和接地平面中的電壓梯度，因為這些都可能導致不穩(wěn)定或調節(jié)誤差。應將電感、輸入濾波電容和輸出濾波電容盡可能靠近器件連接，并保持它們的走線短、直且寬。將它們的接地引腳在一個星型接地配置的單個公共節(jié)點處連接。外部電壓反饋網絡應非常靠近FB引腳，距離在0.2英寸（5mm）以內。應使嘈雜的走線（如LX走線）遠離電壓反饋網絡，并使用接地銅箔將它們分開。MAX1920/MAX1921評估套件數據手冊中包含了正確的PCB布局和布線方案。

十、總結

MAX1920/MAX1921以其高效、小封裝、低功耗等優(yōu)點，為電子工程師在設計電源管理模塊時提供了一個優(yōu)秀的選擇。通過合理的電感、電容選擇，以及精確的反饋和補償電路設計，結合良好的PCB布局，能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，滿足各種應用場景的需求。在實際設計過程中，大家不妨根據具體的設計要求，參考本文提供的設計步驟和參數，打造出穩(wěn)定、高效的電源電路。你在使用MAX1920/MAX1921的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。