MAX668/MAX669：1.8V 至 28V 輸入 PWM 升壓控制器深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC - DC 轉(zhuǎn)換器是不可或缺的一部分，它能滿足不同電源和負(fù)載的需求。今天我們要深入探討的是 Maxim 公司推出的 MAX668/MAX669 這兩款恒定頻率、脈寬調(diào)制（PWM）、電流模式的 DC - DC 控制器，它們在多種 DC - DC 轉(zhuǎn)換應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

文件下載：MAX668.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX668/MAX669 專為廣泛的 DC - DC 轉(zhuǎn)換應(yīng)用而設(shè)計(jì)，涵蓋升壓、SEPIC、反激和隔離輸出配置等。它能控制 20W 或更高的功率水平，轉(zhuǎn)換效率超過 90%。其輸入電壓范圍為 1.8V 至 28V，可支持各種電池和交流供電輸入。

這款控制器具有先進(jìn)的 BiCMOS 設(shè)計(jì)，具備低工作電流（220μA）、可調(diào)工作頻率（100kHz 至 500kHz）、軟啟動功能以及 SYNC 輸入，能將振蕩器鎖定到外部時(shí)鐘。同時(shí)，通過低 100mV 的電流檢測電壓和 Maxim 專有的 Idle Mode? 控制方案，優(yōu)化了 DC - DC 轉(zhuǎn)換效率。

二、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢

（一）特性亮點(diǎn)

1. 寬輸入電壓范圍：支持 1.8V 至 28V 的輸入，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
2. 小封裝設(shè)計(jì)：采用緊湊的 10 引腳 μMAX 封裝，節(jié)省電路板空間。
3. 高效轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換效率超過 90%，能有效降低功耗。
4. 可調(diào)頻率與同步：振蕩器頻率可在 100kHz 至 500kHz 之間調(diào)節(jié)，還能與外部時(shí)鐘同步。
5. 低靜態(tài)電流：靜態(tài)電流僅 220μA，有助于延長電池續(xù)航。
6. 邏輯電平關(guān)斷：可通過邏輯電平控制關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)電源電流降至 3.5μA。
7. 軟啟動功能：避免啟動時(shí)的電流沖擊，保護(hù)電路元件。

（二）優(yōu)勢體現(xiàn)

這些特性使得 MAX668/MAX669 在眾多應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢，例如在對空間要求較高的便攜式設(shè)備中，小封裝設(shè)計(jì)能滿足其緊湊性需求；而高效轉(zhuǎn)換和低靜態(tài)電流則有助于延長電池使用時(shí)間，提高設(shè)備的續(xù)航能力。

三、MAX668 與 MAX669 的差異

從表格中可以看出，MAX669 更適合低輸入電壓的應(yīng)用，而 MAX668 在輸入電壓較高或?qū)敵鲭妷簾o限制的情況下更具優(yōu)勢。

四、工作模式解析

（一）PWM 模式

在 PWM 模式下，控制器采用固定頻率、電流模式操作，占空比由輸入/輸出電壓比決定。電流模式反饋環(huán)路根據(jù)輸出誤差信號調(diào)節(jié)峰值電感電流，以實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的精確控制。

（二）Idle Mode?

在輕負(fù)載時(shí)，控制器進(jìn)入 Idle Mode?。在此模式下，僅在需要時(shí)提供開關(guān)脈沖以滿足負(fù)載需求，從而最小化工作電流，提高輕負(fù)載效率。當(dāng)控制器與外部時(shí)鐘同步時(shí)，Idle Mode? 僅在非常輕的負(fù)載下出現(xiàn)。

五、自舉/非自舉操作

（一）自舉操作

自舉操作時(shí)，IC 由電路輸出（(V_{OUT})）供電。當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，這種方式能提高效率，因?yàn)?EXT 以較高的柵極電壓驅(qū)動 FET，降低了 FET 的導(dǎo)通電阻。但自舉操作也存在一些缺點(diǎn)，如增加了 IC 的工作功率，并且在低輸入電壓下高負(fù)載電流啟動能力會降低。如果輸入電壓范圍低于 2.7V，則只能選擇 MAX669 進(jìn)行自舉操作。

（二）非自舉操作

非自舉操作時(shí)，IC 由輸入電壓（(V_{IN})）或其他電源供電。對于輸入電壓高于 5V 的情況，建議采用非自舉操作。此外，如果輸出電壓超過 28V，必須采用非自舉操作，且只有 MAX668 可用于非自舉配置。

六、設(shè)計(jì)步驟

（一）設(shè)置工作頻率

可根據(jù)多種因素選擇 100kHz 至 500kHz 的工作頻率，如噪聲考慮、電感和電容的尺寸、工作功率以及 FET 的轉(zhuǎn)換損耗等。振蕩器頻率由連接在 FREQ 到 GND 之間的電阻 (R{OSC}) 設(shè)置，公式為 (R{OSC}=5 × 10^{10} / f{OSC})（不使用外部時(shí)鐘時(shí)）或 (R{OSC}(SYNC) =5 × 10^{10} /(0.85 × f_{SYNC }))（使用外部時(shí)鐘時(shí)）。

（二）設(shè)置輸出電壓

輸出電壓由兩個外部電阻（(R_2) 和 (R_3)）設(shè)置，先選擇 (R_3) 在 10kΩ 至 1MΩ 范圍內(nèi)的值，然后根據(jù)公式 (R_2=R3[(V{OUT } / V_{REF })-1]) 計(jì)算 (R2)，其中 (V{REF}) 為 1.25V。

（三）確定電感值

對于大多數(shù) MAX668/MAX669 升壓設(shè)計(jì)，理想電感值 (L{IDEAL}) 可根據(jù)公式 (L{IDEAL }=V{OUT } /(4 × I{OUT } × f_{OSC })) 計(jì)算。電感值的選擇有一定靈活性，但較小的電感值會增加電感電流的峰 - 峰值，需要更大的輸出電容來維持輸出紋波；較大的電感值則需要按比例增加輸出濾波電容。

（四）確定峰值電感電流

峰值電感電流 (I{LPEAK }) 由公式 (I{LPEAK }=I{LDC }+(I{LPP}/ 2)) 計(jì)算，其中 (I{LDC}) 為平均直流輸入電流，(I{LPP}) 為電感峰 - 峰紋波電流。確定 (I{LPEAK }) 后，電流檢測電阻 (R{CS}) 可由 (R{CS}=85 mV / I{LPEAK }) 確定。

（五）功率 MOSFET 選擇

需選擇 N 溝道功率 MOSFET，由于 LDO 限制 EXT 輸出柵極驅(qū)動不超過 5V，因此應(yīng)選擇邏輯電平 NFET，特別是在低輸入電壓（低于 5V）時(shí)，低閾值 NFET 能實(shí)現(xiàn)更好的性能。選擇時(shí)需考慮總柵極電荷 (Q{g})、反向傳輸電容或電荷 (C{RSS})、導(dǎo)通電阻 (R{DS(ON)})、最大漏 - 源電壓 (V{DS(MAX)}) 和最小閾值電壓 (V_{TH(MIN)}) 等參數(shù)。

（六）二極管選擇

由于 MAX668/MAX669 的高開關(guān)頻率，需要高速整流二極管，大多數(shù)應(yīng)用推薦使用肖特基二極管。要確保二極管的平均電流額定值足夠，并且反向擊穿電壓超過 (V_{OUT})。對于高輸出電壓（50V 或以上），可能需要使用具有足夠反向電壓的高速硅整流器。

（七）電容選擇

1. 輸出濾波電容：最小輸出濾波電容 (C{OUT(MIN) }) 可根據(jù)公式 (C{OUT(MIN) }=frac{(7.5 V × L / L{IDEAL })}{(2 pi R{CS} × V{IN (MIN)} × f{O S C})}) 計(jì)算，但通常需要 2 至 3 倍 (C_{OUT(MIN)}) 的電容值來滿足低輸出電壓紋波的要求，且應(yīng)使用低 ESR 類型的電容。
2. 輸入電容：輸入電容 (C{IN}) 可減少從輸入電源汲取的電流峰值和噪聲注入，其值主要由輸入電源的源阻抗決定。在低輸入電壓設(shè)計(jì)中，增加 (C{IN}) 和/或降低其 ESR 可提高轉(zhuǎn)換效率。
3. 旁路電容：需要三個陶瓷旁路電容，分別將 REF 旁路到 GND（0.22μF 或更大）、LDO 旁路到 GND（1μF 或更大）以及 (V_{CC}) 旁路到 GND（0.1μF 或更大），且應(yīng)盡量靠近相應(yīng)引腳放置。
4. 補(bǔ)償電容：連接在 FB 到 GND 之間的小電容可形成極點(diǎn)，抵消輸出電容 ESR 引入的左半平面零點(diǎn)。最佳補(bǔ)償值 (C{FB}) 可根據(jù)公式 (C{FB}=C{OUT } × frac{ESR{COU T}}{(R 2 × R 3) /(R 2+R 3)}) 計(jì)算。

七、應(yīng)用信息

（一）負(fù)載啟動

在非自舉配置中，MAX668 可以在任何輸出負(fù)載和輸入電壓組合下啟動。而在自舉配置中，可能需要在電路啟動且輸出接近設(shè)定值后才能施加滿載電流，特別是在輸入電壓下降時(shí)，這種限制更為明顯。此時(shí)，低閾值 FET 是最有效的解決方案。

（二）布局考慮

由于高電流水平和快速開關(guān)波形會輻射噪聲，因此正確的 PCB 布局至關(guān)重要。應(yīng)采用星形接地配置保護(hù)敏感的模擬接地，將 GND、PGND、輸入旁路電容接地引線和輸出濾波接地引線連接到單點(diǎn)，以最小化接地噪聲。同時(shí)，應(yīng)盡量縮短走線長度，減少雜散電容、走線電阻和輻射噪聲。

（三）應(yīng)用電路

1. 低壓升壓電路：MAX669 在低壓升壓應(yīng)用中表現(xiàn)出色，采用自舉模式可提高低輸入電壓性能。例如，圖 3 所示電路可在輸入電壓低至 1.8V 時(shí)提供 5V 輸出，輸出電流大于 2A，效率通常在 85% 至 90% 之間。
2. +12V 升壓應(yīng)用：MAX668 在 5V 至 12V 升壓應(yīng)用中采用非自舉模式，可最小化輸入電源電流，實(shí)現(xiàn)最大輕載效率。該電路可提供大于 1A 的輸出電流，典型效率為 92%。
3. 4 節(jié)電池到 +5V SEPIC 電源：MAX668 在 SEPIC 配置中可用于輸入電壓可大于或小于輸出電壓的情況，如將四節(jié) NiMH、NiCd 或堿性電池轉(zhuǎn)換為 5V 輸出。該電路在輸入電壓為 3V 至 25V 時(shí)可提供大于 1A 的輸出電流，效率通常在 70% 至 85% 之間。
4. 隔離 +5V 到 +5V 電源：圖 7 所示電路可從 5V 輸入電源提供 5V 隔離輸出，輸出電流為 400mA。變壓器 T1 提供轉(zhuǎn)換器前向路徑的電氣隔離，TLV431 并聯(lián)穩(wěn)壓器和 MOC211 光耦合器提供隔離的反饋誤差電壓。

八、總結(jié)

MAX668/MAX669 是兩款功能強(qiáng)大的 DC - DC 控制器，具有寬輸入電壓范圍、高效轉(zhuǎn)換、可調(diào)頻率等諸多優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的工作模式和元件參數(shù)，并注意 PCB 布局等問題。通過合理的設(shè)計(jì)，MAX668/MAX669 能在各種 DC - DC 轉(zhuǎn)換應(yīng)用中發(fā)揮出色的性能。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。