深入剖析MAX1801：數(shù)字相機(jī)升壓從控DC - DC控制器的卓越之選

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其是數(shù)字相機(jī)、便攜式DVD播放器等設(shè)備中，電源的穩(wěn)定性和高效性至關(guān)重要。MAX1801作為一款數(shù)字相機(jī)升壓從控DC - DC控制器，為電源設(shè)計(jì)帶來了諸多優(yōu)勢。下面我們就來深入了解這款控制器。

文件下載：MAX1801.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX1801需與MAX1800（升壓）或MAX1802（降壓）主DC - DC轉(zhuǎn)換器配合使用，為數(shù)字相機(jī)等設(shè)備提供完整的電源解決方案。通過使用主轉(zhuǎn)換器的參考電壓和振蕩器，不僅降低了從控制器的尺寸和成本，還確保了所有轉(zhuǎn)換器以相同頻率進(jìn)行開關(guān)操作。它能驅(qū)動外部N溝道MOSFET，適用于升壓、單端初級電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）和反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，它還具備內(nèi)置軟啟動、短路保護(hù)和可調(diào)占空比限制等特性，采用節(jié)省空間的8引腳SOT23封裝，并且有配套的評估套件助力設(shè)計(jì)。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

MAX1801的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了數(shù)字靜態(tài)相機(jī)、數(shù)字視頻相機(jī)、便攜式DVD播放器、互聯(lián)網(wǎng)接入平板電腦、個人數(shù)字助理（PDA）以及各種手持設(shè)備等。這些設(shè)備對電源的穩(wěn)定性和效率都有較高要求，MAX1801正好滿足了這些需求。

三、產(chǎn)品特性

1. 可擴(kuò)展性強(qiáng)：為MAX1800和MAX1802主轉(zhuǎn)換器提供簡單的擴(kuò)展能力，能在現(xiàn)有主電路中輕松添加從控制器，減少重新設(shè)計(jì)的成本和時間。
2. 多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持：可在升壓、SEPIC和反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中工作，滿足不同的設(shè)計(jì)需求。
3. 可調(diào)工作頻率：工作頻率可在100kHz至1MHz之間調(diào)節(jié)，方便根據(jù)具體應(yīng)用優(yōu)化外部組件尺寸或效率。
4. 占空比可調(diào)：占空比限制可在40%至90%之間調(diào)節(jié)，并且具備軟啟動功能，能有效限制浪涌電流。
5. 保護(hù)功能完善：具有短路保護(hù)功能，能防止輸出短路對電路造成損壞。
6. 低功耗：在關(guān)機(jī)模式下，電源電流僅為0.01μA，有效降低功耗。
7. 小封裝：采用8引腳SOT23封裝，節(jié)省電路板空間。

四、電氣特性

1. 絕對最大額定值

• 各引腳對GND的電壓范圍有所限制，如IN、DCON、REF、OSC、FB對GND為 - 0.3V至 + 6.0V等。
• 連續(xù)功率耗散在TA = + 70°C時，8引腳SOT23封裝為480mW（70°C以上每升高1°C降額6mW）。
• 工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，結(jié)溫為 + 150°C，存儲溫度范圍為 - 65°C至 + 150°C，焊接時引腳溫度（10s）為 + 300°C。

2. 電氣參數(shù)

• 電源電壓：VIN的工作范圍為2.7V至5.5V，VIN欠壓鎖定閾值在VIN上升時為2.15V至2.55V。
• 參考輸入：REF輸入范圍為1.19V至1.31V，REF欠壓鎖定閾值在VREF上升時為0.85V至1.15V。
• 電源電流：關(guān)機(jī)模式下電源電流最大為1μA，睡眠模式下最大為10μA，靜態(tài)電源電流最大為300μA。
• 振蕩器：OSC輸入泄漏電流最大為1μA，振蕩器頻率范圍為100kHz至1000kHz，OSC時鐘低觸發(fā)電平為0.20V至0.30V，高觸發(fā)電平為1.00V至1.10V。
• 占空比：最大占空比調(diào)節(jié)范圍在fOSC = 100kHz時為40%至90%。
• 輸入輸出：DCON輸入泄漏電流最大為100nA，DCON輸入睡眠模式閾值為0.35V至0.45V，REF輸入電流在不同條件下有不同值。
• 誤差放大器：FB調(diào)節(jié)電壓為1.238V至1.263V，F(xiàn)B到COMP的跨導(dǎo)為70μS至160μS，F(xiàn)B輸入泄漏電流最大為100nA。
• 驅(qū)動器：DL驅(qū)動器電阻最大為5Ω，DL驅(qū)動電流典型值為0.5A。
• 軟啟動和短路保護(hù)：軟啟動間隔和故障間隔均為1024個OSC周期。

五、典型工作特性

1. 效率與負(fù)載電流關(guān)系

通過不同的電池電壓（如1.5V、2.4V、3.6V）和輸出電壓（如7V、12V、18V）的曲線，可以直觀地看到效率隨負(fù)載電流的變化情況。一般來說，在合適的負(fù)載電流范圍內(nèi)，效率能保持在較高水平。

2. 占空比與頻率和電壓關(guān)系

默認(rèn)最大占空比與頻率、最大占空比與VDCON之間存在一定的關(guān)系曲線。通過這些曲線，我們可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的頻率和VDCON電壓來設(shè)置占空比。

3. 睡眠模式電流與輸入電壓、關(guān)機(jī)電流與參考電壓關(guān)系

睡眠模式電流隨輸入電壓的變化以及關(guān)機(jī)電流隨參考電壓的變化曲線，有助于我們了解在不同電壓條件下的功耗情況，從而優(yōu)化電源設(shè)計(jì)。

4. 參考輸入電流與溫度關(guān)系

參考輸入電流會隨溫度的變化而變化，了解這一特性可以幫助我們在不同的工作溫度環(huán)境下更好地設(shè)計(jì)電路。

5. FB到COMP小信號開環(huán)頻率響應(yīng)

該響應(yīng)曲線展示了電路在不同頻率下的特性，對于分析電路的穩(wěn)定性和性能非常重要。

6. 啟動響應(yīng)和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

啟動響應(yīng)曲線可以看到輸出電壓、輸入電流等在啟動過程中的變化情況，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)曲線則展示了在負(fù)載變化時輸出電壓的響應(yīng)情況，這些特性對于確保電路在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

六、引腳描述

七、詳細(xì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 主從配置

MAX1801從MAX1800或MAX1802主DC - DC轉(zhuǎn)換器獲取輸入電源、電壓參考和振蕩器信號。這種主從配置通過消除冗余電路降低了系統(tǒng)成本，并且通過同步轉(zhuǎn)換器開關(guān)控制了噪聲的諧波含量。

2. 升壓DC - DC控制器

MAX1801以低噪聲固定頻率PWM模式工作，輸出功率受外部組件限制。它通過調(diào)制外部N溝道MOSFET開關(guān)的驅(qū)動信號脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓，開關(guān)頻率由主轉(zhuǎn)換器設(shè)置，范圍為100kHz至1MHz。

3. 參考電壓

MAX1801需要1.25V的參考電壓，從MAX1800或MAX1802獲取。在關(guān)機(jī)模式下，REF通常吸收0.5μA電流，在活動模式下為3μA，啟動時最多為30μA。如果多個MAX1801控制器同時開啟，要確保主電壓參考能提供足夠的電流，或者用合適的單位增益放大器緩沖參考電壓。

4. 振蕩器

MAX1801需要0至1.25V的鋸齒波振蕩器信號，從MAX1800或MAX1802獲取。該信號設(shè)置轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，用于控制脈寬調(diào)制和最大占空比。

5. 最大占空比

MAX1801利用OSC處的主生成振蕩器信號、DCON處的電壓和內(nèi)部比較器來限制其最大開關(guān)占空比。限制占空比可以防止某些磁性組件飽和，較低的最大占空比還可以使轉(zhuǎn)換器工作在不連續(xù)電流模式，以犧牲一點(diǎn)效率為代價簡化設(shè)計(jì)穩(wěn)定性。

6. 軟啟動

MAX1801具有軟啟動功能，通過在1024個振蕩器周期內(nèi)將輸出電壓斜坡上升到調(diào)節(jié)電壓，限制浪涌電流并防止啟動時電池過度負(fù)載。

7. 關(guān)機(jī)

將VDCON設(shè)置為小于0.35V可使MAX1801進(jìn)入睡眠模式，電源電流降至5μA；將VREF設(shè)置為低于0.4V可使MAX1801進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，電源電流降至10nA。當(dāng)VDCON和VREF都處于正常水平時，MAX1801進(jìn)入軟啟動。

8. 短路保護(hù)

MAX1801具有故障保護(hù)功能，可防止輸出短路對變壓器耦合或SEPIC電路造成損壞。如果輸出電壓超出調(diào)節(jié)范圍，COMP處的電壓將被鉗位在2.7V。如果此條件在軟啟動后的任何時間持續(xù)1024個振蕩器時鐘周期，MAX1801將被禁用，以防止過大的輸出電流。可通過將DCON或IN處的電壓循環(huán)至GND再恢復(fù)到正常狀態(tài)來重啟控制器。在升壓應(yīng)用中，由于通過電感器和輸出整流器到短路的直流電流路徑，短路電流不受限制。如果在升壓配置中需要短路保護(hù)，必須使用保險絲等保護(hù)裝置來限制短路電流。

八、設(shè)計(jì)流程

1. 開關(guān)頻率

MAX1801的開關(guān)頻率由MAX1800或MAX1802主轉(zhuǎn)換器設(shè)置。通常，400kHz至500kHz的開關(guān)頻率在組件尺寸和效率之間提供了良好的平衡，較高的頻率一般允許使用更小的組件，而較低的頻率則能提供更好的轉(zhuǎn)換效率。

2. 設(shè)置輸出電壓

通過從輸出連接電阻分壓器到FB來設(shè)置MAX1801的輸出電壓。由于FB輸入偏置電流小于100nA，選擇R2為100kΩ以最小化FB處輸入偏置電流的影響，根據(jù)公式(R1 = R2(frac{V{OUT}}{V{FB}} - 1))選擇R1，其中VFB為1.25V。

3. 設(shè)置最大占空比

OSC處的主振蕩器信號和DCON處的電壓用于生成內(nèi)部時鐘信號。最大占空比可通過公式(D{MAX}=frac{R4}{R3 + R4}(1 - f{OSC}t_{FALL}))近似計(jì)算，其中fOSC和tFALL分別為振蕩器頻率（Hz）和下降時間（通常為100ns）。在100kHz時，可調(diào)最大占空比范圍通常為28%至92%。如果VDCON等于或高于VREF（1.25V），最大占空比通常默認(rèn)設(shè)置為78%；如果VDCON小于0.4V，控制器將關(guān)閉。

4. 電感器選擇

• 連續(xù)電感器電流：對于大多數(shù)MAX1801升壓設(shè)計(jì)，合理的電感器值（LIDEAL）可通過公式(L{IDEAL}=frac{3(V{IN}-V{SW})D(1 - D)}{I{OUT}t{OSC}})計(jì)算，其中D為占空比，(D approx 1 - frac{V{IN}}{V{OUT}+V{D}})，VSW為N溝道MOSFET開關(guān)的電壓降，VD為整流器的正向電壓降。電感值小于LIDEAL時，最大電感器電流會增加，需要更大的輸出電容來保持輸出紋波。當(dāng)IOUT從確定LIDEAL的值減小超過六倍時，電感器電流將變?yōu)椴贿B續(xù)。
• 不連續(xù)電感器電流：在不連續(xù)模式下，MAX1801控制器通過調(diào)整占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓，以確保在最壞負(fù)載條件（最大IOUT）下的調(diào)節(jié)。選擇(L leq frac{V{OUT}D{MAX}}{2}I{OUT}f{OSC})，電感器的飽和電流額定值應(yīng)滿足或超過計(jì)算出的峰值電感器電流。

5. 輸入和輸出濾波電容器

• 輸入電容器（CIN）：在升壓設(shè)計(jì)中，輸入電容器可減少從電池或輸入電源吸取的電流峰值，并減少控制器中的開關(guān)噪聲。輸入電容器在開關(guān)頻率下的阻抗應(yīng)小于輸入源的阻抗，以防止高頻開關(guān)電流通過輸入源。
• 輸出電容器：輸出電容器用于保持輸出電壓紋波小，并確保調(diào)節(jié)控制環(huán)路的穩(wěn)定性。輸出電容器在開關(guān)頻率下必須具有低阻抗，鉭電容器和陶瓷電容器是不錯的選擇。鉭電容器通常具有高電容和中低等效串聯(lián)電阻（ESR），輸出紋波近似為(V{RIPPLE} approx I{L(PEAK)}ESR)；陶瓷電容器通常具有較低的ESR，但電容相對較小，輸出紋波近似為(V{RIPPLE} approx I{L(PEAK)}Z{C})，其中(Z{C} approx frac{1}{2pi f{OSC}C{OUT}})。

6. 旁路電容器

如果MAX1801遠(yuǎn)離MAX1800或MAX1802主IC，開關(guān)電路的噪聲可能會影響MAX1801，此時需要用0.1μF或更大的陶瓷電容器旁路REF和IN。如果噪聲不是問題或MAX1801靠近主IC，則不需要額外的旁路。

7. MOSFET選擇

MAX1801控制器驅(qū)動外部邏輯電平N溝道MOSFET作為電路開關(guān)元件，關(guān)鍵選擇參數(shù)包括導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）、最大漏源電壓（VDS(MAX)）、最小閾值電壓（VTH(MIN)）、總柵極電荷（Qg）和反向傳輸電容（CRSS）。由于外部柵極驅(qū)動（DL）在IN和GND之間擺動，應(yīng)選擇導(dǎo)通電阻在VIN或以下指定的MOSFET。MOSFET的功耗包括導(dǎo)通電阻損耗和過渡損耗，總功耗為兩者之和。

8. 二極管選擇

對于低輸出電壓應(yīng)用，使用肖特基二極管整流輸出電壓，因?yàn)槠渚哂械驼螂妷汉涂焖倩謴?fù)時間。但肖特基二極管在高反向電壓和高溫下會出現(xiàn)明顯的泄漏電流，因此對于高電壓、高溫應(yīng)用，應(yīng)使用超快結(jié)整流器。

9. 補(bǔ)償設(shè)計(jì)

MAX1801轉(zhuǎn)換器使用電壓模式調(diào)節(jié)輸出電壓，補(bǔ)償設(shè)計(jì)根據(jù)電感器電流是連續(xù)還是不連續(xù)而有所不同。

• 不連續(xù)電感器電流：PWM轉(zhuǎn)換器有一個單極點(diǎn)，極點(diǎn)頻率和直流增益取決于工作占空比。通過選擇合適的補(bǔ)償電阻和電容，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電路。
• 連續(xù)電感器電流：控制環(huán)路的響應(yīng)包括一個右半平面零點(diǎn)和一個復(fù)極點(diǎn)對，為了穩(wěn)定運(yùn)行，控制器環(huán)路增益必須在遠(yuǎn)低于右半平面零點(diǎn)頻率的頻率下降至單位（0dB）。通常使用輸出電容器ESR產(chǎn)生的零點(diǎn)來補(bǔ)償控制電路，增加交叉頻率附近的相位，提高相位裕度。

九、應(yīng)用信息

1. 與MAX1800升壓主DC - DC轉(zhuǎn)換器配合使用

MAX1801使用MAX1800的參考電壓和振蕩器信號。MAX1800可從1.5V至5.5V輸入電壓工作，適用于2或3節(jié)堿性、NiCd或NiMH電池，或1節(jié)鋰原電池或鋰離子（Li +）電池的應(yīng)用。

2. 與MAX1802降壓主DC - DC轉(zhuǎn)換器配合使用

MAX1801使用MAX1802的參考電壓和振蕩器信號。MAX1802可從2.7V至11V輸入電壓工作，適用于4節(jié)串聯(lián)堿性、NiCd或NiMH電池，或2節(jié)串聯(lián)鋰原電池或（Li +）電池的應(yīng)用。

3. SEPIC配置

當(dāng)電池電壓高于或低于所需輸出電壓時，可使用SEPIC轉(zhuǎn)換器。電感L1和L2可以是單獨(dú)的電感器，也可以繞在同一磁芯上并像變壓器一樣耦合。使用耦合電感器通?？梢蕴岣咝剩珻2應(yīng)選擇低ESR類型的電容器，其紋波電流額定值必須大于輸入和輸出電流中的較大值。MOSFET的漏