探索MAX863：高效雙輸出DC - DC控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在便攜式設(shè)備和低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電源管理模塊的性能和效率至關(guān)重要。今天我們要深入探討的是Maxim公司的MAX863，一款雙輸出、高效的脈沖頻率調(diào)制（PFM）升壓型DC - DC控制器。它以小巧的封裝、出色的性能，為各類電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀的解決方案。

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產(chǎn)品概覽

基本特性

MAX863將兩個獨(dú)立的升壓控制器集成在一個緊湊的16引腳QSOP封裝中，這種設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了電路板空間，還降低了成本。其輸入電壓范圍可低至1.5V，適用于各種低功耗手持設(shè)備，如電子記事本、翻譯器等。在20mA至超過1A的輸出負(fù)載下，能實(shí)現(xiàn)高達(dá)90%的效率，同時最大總靜態(tài)電源電流僅為85μA，關(guān)機(jī)模式下電流低至1μA，有效延長了電池續(xù)航時間。

應(yīng)用領(lǐng)域

該控制器廣泛應(yīng)用于2 - 3節(jié)電池供電的便攜式設(shè)備、電子記事本、翻譯器、手持儀器、掌上電腦、個人數(shù)字助理（PDA）以及需要雙電源（邏輯和LCD）的系統(tǒng)中。

技術(shù)細(xì)節(jié)分析

PFM控制方案

MAX863采用了單觸發(fā)序列、電流限制的PFM設(shè)計(jì)。通過誤差比較器感測輸出電壓，當(dāng)輸出電壓下降時，內(nèi)部觸發(fā)器置位，開啟外部MOSFET，使電感電流上升并儲存能量。當(dāng)電流感測電阻兩端電壓超過100mV或達(dá)到17.5μs的最大導(dǎo)通時間時，觸發(fā)器復(fù)位，MOSFET關(guān)閉，電感釋放能量給輸出電容和負(fù)載。這種設(shè)計(jì)結(jié)合了輕載時低供電電流和重載時高效率的優(yōu)點(diǎn)。

連續(xù)/不連續(xù)傳導(dǎo)模式

每個轉(zhuǎn)換器可根據(jù)輸出電壓和負(fù)載情況決定是否切換。在輕載情況下，電感電流在下次周期前降至零，進(jìn)入不連續(xù)傳導(dǎo)模式；當(dāng)電感中有電流時開始下一次開關(guān)周期，則進(jìn)入連續(xù)傳導(dǎo)模式。其轉(zhuǎn)換點(diǎn)取決于輸入輸出電壓、電感大小和峰值開關(guān)電流。

低壓啟動振蕩器

MAX863具有一個低壓啟動振蕩器，在自舉配置下可確保低至1.5V的啟動電壓。當(dāng)VDD低于2.7V時，低壓振蕩器以約30%的占空比驅(qū)動外部MOSFET，直到VDD上升到2.7V以上，誤差比較器和單觸發(fā)定時電路才開始工作。

自舉/非自舉模式

• 自舉模式：IC由輸出電源供電（VDD連接到OUT1，BOOT連接到VDD），可增加MOSFET的柵極驅(qū)動電壓，降低導(dǎo)通電阻，提高效率和負(fù)載范圍。適用于輸入電壓低于5V的應(yīng)用，但連接到VDD的輸出電壓不能超過11V。
• 非自舉模式：IC由輸入電壓直接供電到VDD，輸入電壓最低為2.7V。在低輸入電壓時，外部MOSFET的導(dǎo)通電阻會增加。當(dāng)兩個輸出電壓都設(shè)置在11V以上時，必須使用非自舉模式。

關(guān)機(jī)模式

MAX863具有兩個關(guān)機(jī)輸入引腳SHDN1和SHDN2。將其中一個引腳拉低可關(guān)閉相應(yīng)的DC - DC控制器，降低靜態(tài)電流；將兩個引腳都拉低則關(guān)閉參考、控制和偏置電路，使芯片進(jìn)入1μA的關(guān)機(jī)模式。

設(shè)計(jì)步驟與元件選擇

設(shè)計(jì)步驟

1. 明確設(shè)計(jì)目標(biāo)：確定每個輸出的電壓、最大負(fù)載電流以及輸入電壓的最大和最小值，并估算最大輸入電流。
2. 確定峰值開關(guān)電流：對于3.3V、5V、12V和24V輸出電路，可通過圖表選擇峰值電流；對于其他輸出電壓，可使用分析方法計(jì)算。
3. 選擇電感：電感值要保證MAX863在每個周期內(nèi)能夠在17.5μs最大導(dǎo)通時間內(nèi)達(dá)到峰值電流限制，同時電感的飽和電流和加熱電流額定值應(yīng)大于峰值電流。
4. 選擇MOSFET：使用N溝道MOSFET，考慮柵極驅(qū)動電壓、漏源擊穿電壓、電流額定值、導(dǎo)通電阻和總柵極電荷等參數(shù)。
5. 選擇輸出二極管：推薦使用肖特基二極管，確保其峰值電流額定值超過RSENSE設(shè)置的電流限制，擊穿電壓超過輸出電壓。
6. 確定輸入和輸出濾波電容：使用低ESR電容，根據(jù)電壓紋波估算電容值，并選擇工作電壓額定值合適的電容。
7. 添加旁路電容：在VDD、REF和GND引腳附近添加0.1μF或更高值的陶瓷電容進(jìn)行旁路。
8. 設(shè)置輸出電壓：DC - DC轉(zhuǎn)換器1可設(shè)置為3.3V、5V或可調(diào)輸出；DC - DC轉(zhuǎn)換器2可通過外部電阻調(diào)整輸出電壓。
9. 設(shè)置反饋補(bǔ)償：對外部電壓反饋進(jìn)行補(bǔ)償，以減少雜散電容和EMI的影響。

元件選擇要點(diǎn)

• 電流感測電阻：應(yīng)選擇小尺寸、低電感的類型，如表面貼裝金屬條電阻，避免使用繞線電阻。電阻功率額定值要高于(V^{2}{CS(MAX)}/R{SENSE})。
• 電感：建議使用環(huán)形、罐形磁芯或屏蔽骨架磁芯電感，以減少輻射噪聲。
• MOSFET：VDD低于8V時使用邏輯電平MOSFET，輸入電壓低于4V時使用低閾值邏輯電平MOSFET。
• 輸出二極管：重負(fù)載和低電壓應(yīng)用中優(yōu)先選擇肖特基二極管；高溫應(yīng)用中，可考慮超快硅整流器。

應(yīng)用電路示例

自舉5V邏輯和24V LCD偏置電源

該電路由兩節(jié)AA或AAA電池供電，可為邏輯電路提供5V（最大750mA）電源，為LCD偏置電源提供24V（最大35mA）電源。OUT1用于自舉MAX863，以改善MOSFET的柵極驅(qū)動。

升壓/降壓SEPIC轉(zhuǎn)換器和12V電源

此電路可在輸入電壓范圍大于或小于VOUT1的應(yīng)用中提供升降壓功能，為邏輯電路提供3.3V（最大600mA）或5V電源，同時為閃存或模擬功能提供12V（在(V_{IN}=2.4V)時最大200mA）電源。

PCB布局與布線注意事項(xiàng)

由于MAX863具有較高的開關(guān)速度和較大的峰值電流，PCB布局和布線非常重要。應(yīng)將功率元件盡可能靠近放置，保持其走線短、直、寬，并將多余的銅作為接地平面。避免通過內(nèi)部接地層的過孔連接功率元件的接地引腳，建議采用“星形”接地配置。同時，電流感測電阻和電壓反饋網(wǎng)絡(luò)應(yīng)靠近MAX863，避免噪聲走線干擾電壓反饋網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)論

MAX863作為一款高性能的雙輸出DC - DC控制器，憑借其高效、低功耗、小封裝等特點(diǎn)，為電子工程師在便攜式設(shè)備和低功耗系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)中提供了一個優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇元件和設(shè)計(jì)參數(shù)，并注意PCB布局和布線，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用MAX863或類似DC - DC控制器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。