MAX1692：低噪聲、5.5V輸入PWM降壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，降壓調(diào)節(jié)器是一種常見且關(guān)鍵的元件，它能夠?qū)⑤^高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低且穩(wěn)定的輸出電壓，以滿足不同電路模塊的供電需求。今天，我們就來深入探討一下MAX1692這款低噪聲、5.5V輸入的PWM降壓調(diào)節(jié)器。

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一、產(chǎn)品概述

MAX1692是一款低噪聲、脈沖寬度調(diào)制（PWM）的DC - DC降壓轉(zhuǎn)換器，專為小型無線系統(tǒng)中的邏輯和發(fā)射器供電而設(shè)計(jì)，如手機(jī)、通信PDA和手持終端等。它具有內(nèi)部同步整流器，無需外部肖特基二極管，不僅提高了效率，還簡化了電路設(shè)計(jì)。其出色的噪聲特性和固定頻率操作，使得后續(xù)濾波變得更加容易，非常適合鋰離子電池應(yīng)用以及+3V或+5V固定輸入應(yīng)用。

1. 工作模式

MAX1692支持四種工作模式，以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景和性能需求：

• 強(qiáng)制PWM模式：無論負(fù)載如何，都以固定頻率工作，便于后續(xù)濾波處理。
• 可同步PWM模式：允許外部開關(guān)頻率控制，從而最小化諧波干擾。
• 空閑模式（PWM/PFM）：在輕負(fù)載時(shí)切換到PFM脈沖跳躍模式，延長電池壽命。
• 關(guān)斷模式：將設(shè)備置于待機(jī)狀態(tài)，使靜態(tài)電源電流降至0.1μA以下。

2. 主要特性

• 輸入輸出范圍：輸入電壓范圍為+2.7V至+5.5V，輸出電壓可在1.25V至輸入電壓之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠提供超過600mA的輸出電流。
• 高效節(jié)能：最高效率可達(dá)95%，靜態(tài)電流僅為85μA，在輕負(fù)載時(shí)能有效降低功耗。
• 精確參考：具有1.25V（±1.2%）的精確基準(zhǔn)電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
• 小封裝設(shè)計(jì)：采用節(jié)省空間的10引腳μMAX封裝，高度僅為1.11mm，適合對(duì)空間要求較高的應(yīng)用。

3. 應(yīng)用領(lǐng)域

MAX1692的應(yīng)用范圍廣泛，包括但不限于以下幾個(gè)方面：

• 通信設(shè)備：如手機(jī)、無繩電話等。
• 便攜式設(shè)備：如PDA、手持終端等。
• 計(jì)算機(jī)設(shè)備：如CPU I/O電源、筆記本芯片組電源等。
• 電池供電設(shè)備：適用于單節(jié)鋰離子電池或3節(jié)鎳氫/鎳鎘電池供電的設(shè)備。

二、電氣特性分析

1. 絕對(duì)最大額定值

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須嚴(yán)格遵守器件的絕對(duì)最大額定值，以避免對(duì)器件造成永久性損壞。MAX1692的絕對(duì)最大額定值包括各引腳的電壓范圍、參考電流、LX峰值電流等。例如，IN、BP、SHDN、SYNC/PWM、LIM到GND的電壓范圍為 - 0.3V至 + 6V，LX峰值電流（內(nèi)部限制）為1.6A。

2. 電氣參數(shù)

詳細(xì)的電氣參數(shù)能夠幫助工程師準(zhǔn)確評(píng)估器件在不同條件下的性能。以 (V{IN}=+3.6V)，SYNC/PWM = GND， (V{LIM}=3.6V)， (overline{SHDN}=IN)為例，輸出電壓在不同負(fù)載和輸入條件下的范圍為1.185V至1.285V，振蕩器頻率為630kHz至840kHz等。

三、典型工作特性

1. 效率與負(fù)載電流關(guān)系

從典型工作特性曲線可以看出，MAX1692在不同輸出電壓和輸入電壓條件下，效率隨負(fù)載電流的變化情況。例如，在 (V{OUT}=2.5V)， (V{IN}=3.6V)時(shí)，效率最高可達(dá)95%左右。這對(duì)于提高電源的能量轉(zhuǎn)換效率，降低功耗具有重要意義。

2. 其他特性曲線

還包括壓降電壓與負(fù)載電流、電池輸入電流與輸入電壓、反饋電壓與負(fù)載電流等特性曲線。這些曲線能夠幫助工程師更好地理解器件在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，從而優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

四、引腳功能與描述

1. 引腳配置

MAX1692采用10引腳μMAX封裝，各引腳具有不同的功能：

• IN：電源電壓輸入，輸入范圍為+2.7V至+5.5V，需通過一個(gè)10μF的電容進(jìn)行旁路。
• BP：電源旁路引腳，內(nèi)部連接到IN，需通過一個(gè)0.1μF的電容進(jìn)行旁路，不能連接到除IN以外的外部電源。
• GND：接地引腳。
• REF：1.25V、1.2%的參考輸出，能夠?yàn)橥獠控?fù)載提供50μA的電流，需通過一個(gè)0.22μF的電容旁路到GND。
• FB：反饋輸入引腳，用于調(diào)節(jié)輸出電壓。
• LIM：電流限制選擇輸入，連接到GND可實(shí)現(xiàn)0.6A的電流限制，連接到IN可實(shí)現(xiàn)1.2A的電流限制。
• SYNC/PWM：振蕩器同步和低噪聲模式控制輸入，可用于選擇不同的工作模式并實(shí)現(xiàn)外部時(shí)鐘同步。
• SHDN：低電平有效，關(guān)斷控制輸入，可將靜態(tài)電流降至0.1μA。
• LX：電感連接到內(nèi)部功率MOSFET的漏極。
• PGND：功率接地引腳。

2. 引腳功能詳細(xì)解釋

通過簡化功能圖可以看出，各引腳在電路中相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了降壓調(diào)節(jié)、電流限制、模式控制等功能。例如，SYNC/PWM引腳可以控制電路進(jìn)入不同的工作模式，在強(qiáng)制PWM模式下，可確保開關(guān)噪聲諧波不會(huì)干擾敏感的IF和數(shù)據(jù)采樣頻率；在PWM/PFM模式下，輕負(fù)載時(shí)可提高效率并降低靜態(tài)電流。

五、工作原理與控制策略

1. PWM控制方案

MAX1692采用斜率補(bǔ)償?shù)碾娏髂Ｊ絇WM控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)100%的占空比。在每個(gè)內(nèi)部振蕩器的下降沿，SYNC單元發(fā)送PWM開啟信號(hào)，使內(nèi)部P溝道MOSFET導(dǎo)通，電流通過電感流向負(fù)載并存儲(chǔ)能量。當(dāng)達(dá)到電流限制或輸出電壓達(dá)到調(diào)節(jié)值時(shí)，開關(guān)關(guān)閉，電感的磁場(chǎng)崩潰，能量通過N溝道同步整流器釋放到輸出濾波電容和負(fù)載中。

2. 100%占空比操作

當(dāng)輸入電壓下降時(shí)，占空比增加，直到P溝道MOSFET持續(xù)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)100%占空比操作。此時(shí)的壓降電壓約為輸出電流乘以內(nèi)部開關(guān)和電感的導(dǎo)通電阻，在 (I_{OUT}=600mA)時(shí)約為280mV。

3. 同步整流

N溝道同步整流器在每個(gè)周期的后半部分（關(guān)斷時(shí)間）提高了效率。當(dāng)電感電流低于NEGLIM比較器設(shè)定的閾值或PWM達(dá)到振蕩器周期結(jié)束時(shí)，同步整流器關(guān)閉，防止多余電流反向流動(dòng)。

4. 強(qiáng)制PWM和PWM/PFM操作

連接SYNC/PWM到IN可實(shí)現(xiàn)正常的強(qiáng)制PWM操作，適用于對(duì)噪聲敏感的RF和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；連接到GND可啟用PWM/PFM操作，在輕負(fù)載時(shí)進(jìn)入PFM模式，提高效率并降低靜態(tài)電流。

5. SYNC輸入和頻率控制

內(nèi)部振蕩器可設(shè)置為750kHz的固定開關(guān)頻率，也可與外部時(shí)鐘同步。SYNC/PWM是一個(gè)負(fù)邊沿觸發(fā)輸入，允許與500kHz至1000kHz的外部頻率同步。

6. 關(guān)斷模式

連接SHDN到GND可將MAX1692置于關(guān)斷模式，此時(shí)參考、控制電路、內(nèi)部開關(guān)MOSFET和同步整流器均關(guān)閉，輸出電壓降至0V。

7. 電流感測(cè)比較器

MAX1692使用多個(gè)內(nèi)部電流感測(cè)比較器，包括PWM比較器、PFM模式控制比較器、NEGLIM閾值設(shè)置比較器和過流檢測(cè)比較器，以實(shí)現(xiàn)精確的電流限制和保護(hù)功能。

六、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 輸出電壓選擇

通過將FB連接到輸出和GND之間的電阻分壓器，可以選擇1.25V至 (V{IN})之間的輸出電壓。反饋電阻R2應(yīng)選擇在5kΩ至500kΩ范圍內(nèi)，R1可根據(jù)公式 (R1 = R2 left[left(V{OUT} / V{FB}right)-1right])計(jì)算得出，其中 (V{FB}=1.232V)。同時(shí)，可在R1上并聯(lián)一個(gè)47pF至100pF的小陶瓷電容，以補(bǔ)償FB引腳的雜散電容和輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）。

2. 電容器選擇

• 輸入濾波電容：用于減少電壓源的峰值電流和噪聲，建議選擇大于10μF的低ESR大容量電容，可根據(jù)公式 (I{RMS} = I{OUT} left[left(V{OUT} / V{IN}right)right]^{1 / 2} cdot V_{IN})計(jì)算最大RMS輸入電流。
• 輸出濾波電容：應(yīng)考慮輸出紋波電壓，可近似為紋波電流與輸出電容ESR的乘積，公式為 (V{RIPPLE} = [V{OUT} (V{IN} - V{OUT} )] / [2 cdot f{OSC}(L) (V{IN})] cdot ESR_{C2})。由于MAX1692的環(huán)路增益較低，可使用小容量、低ESR的輸出濾波電容，但在PWM/PFM模式下，輕負(fù)載時(shí)輸出紋波較高，需驗(yàn)證電容選擇。建議選擇低ESR的電容，如低ESR鋁電解電容、鉭電容或陶瓷電容。

3. 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路

提供了兩種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路，分別針對(duì)功率和電路板空間進(jìn)行了優(yōu)化。一種是通用電路，可產(chǎn)生1.8V、600mA的輸出；另一種是小型化電路，適用于對(duì)尺寸要求較高的應(yīng)用，如手機(jī)，可在60mm2的面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)200mA、1.8V的輸出。

4. 旁路考慮

IN和OUT分別通過10μF和47μF的電容旁路到PGND，BP和REF分別通過0.1μF和0.22μF的電容旁路到GND。旁路電容應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)引腳，以減少噪聲耦合。

5. PC板布局和布線

由于開關(guān)頻率高和峰值電流大，PC板布局和布線非常重要。應(yīng)將電感、輸入濾波電容和輸出濾波電容盡可能靠近連接，保持走線短、直、寬，并采用星型接地配置。外部電壓反饋網(wǎng)絡(luò)應(yīng)靠近FB引腳，避免噪聲走線干擾反饋網(wǎng)絡(luò)。

七、總結(jié)

MAX1692作為一款高性能的低噪聲PWM降壓調(diào)節(jié)器，具有多種工作模式、高效節(jié)能、精確參考等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種小型無線系統(tǒng)和電池供電設(shè)備。在設(shè)計(jì)應(yīng)用電路時(shí)，需要充分考慮其電氣特性、引腳功能、工作原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，合理選擇元件和進(jìn)行PC板布局，以確保電路的穩(wěn)定性和性能。你在使用MAX1692的過程中遇到過哪些問題呢？或者對(duì)于電源管理電路設(shè)計(jì)，你還有哪些疑問？歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。