深入解析MAX1843：高效低電壓降壓調(diào)節(jié)器的卓越之選

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，降壓調(diào)節(jié)器是不可或缺的關(guān)鍵組件。今天，我們要深入探討的是MAXIM公司的一款明星產(chǎn)品——MAX1843，一款2.7A、1MHz的低電壓降壓調(diào)節(jié)器，它采用TQFN封裝，內(nèi)部集成同步整流功能，為眾多應(yīng)用場(chǎng)景提供了高效、穩(wěn)定的電源解決方案。

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產(chǎn)品概述

MAX1843是一款采用恒定關(guān)斷時(shí)間、脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)的同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，非常適合筆記本和超極本電腦中5V或3.3V到低電壓的轉(zhuǎn)換需求。它具有內(nèi)部PMOS功率開關(guān)和內(nèi)部同步整流功能，不僅提高了效率，還減少了外部組件的數(shù)量，無(wú)需外部肖特基二極管。內(nèi)部90mΩ的功率開關(guān)和70mΩ的nMOS同步整流開關(guān)能夠輕松提供高達(dá)2.7A的連續(xù)負(fù)載電流，輸出電壓可預(yù)設(shè)為+2.5V、+1.8V或+1.5V，也可在+1.1V至輸入電壓之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，效率最高可達(dá)95%。

產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

高精度輸出

輸出精度高達(dá)±1%，能夠?yàn)樨?fù)載提供穩(wěn)定、精準(zhǔn)的電壓，滿足對(duì)電源精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

高頻開關(guān)

最高可達(dá)1MHz的開關(guān)頻率，允許用戶在效率、輸出開關(guān)噪聲、組件尺寸和成本之間進(jìn)行優(yōu)化權(quán)衡。

高效節(jié)能

內(nèi)部pMOS/nMOS開關(guān)搭配低導(dǎo)通電阻，在不同輸入電壓下都能保持高效的能量轉(zhuǎn)換。在Vin = +4.5V時(shí)，pMOS開關(guān)導(dǎo)通電阻為90mΩ，nMOS開關(guān)導(dǎo)通電阻為70mΩ；在Vin = +3V時(shí)，pMOS開關(guān)導(dǎo)通電阻為110mΩ，nMOS開關(guān)導(dǎo)通電阻為80mΩ。

寬輸入電壓范圍

支持+3V至+5.5V的輸入電壓范圍，適應(yīng)多種電源環(huán)境。

低功耗設(shè)計(jì)

工作時(shí)的電源電流僅為350μA，關(guān)機(jī)時(shí)的電源電流小于1μA，有效降低了功耗。

輕載高效模式

具備Idle Mode?，在輕載運(yùn)行時(shí)能保持高效率，通過(guò)跳過(guò)周期來(lái)減少過(guò)渡和柵極電荷損耗。

保護(hù)功能完善

擁有熱關(guān)斷、可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)、輸出短路保護(hù)等功能，確保設(shè)備在各種異常情況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

工作模式解析

恒定關(guān)斷時(shí)間模式

當(dāng)通過(guò)pMOS開關(guān)的電流大于空閑模式閾值電流（對(duì)應(yīng)負(fù)載電流為空閑模式閾值的一半）時(shí)，進(jìn)入恒定關(guān)斷時(shí)間模式。在此模式下，調(diào)節(jié)比較器在每個(gè)關(guān)斷時(shí)間結(jié)束時(shí)打開pMOS開關(guān)，使設(shè)備保持連續(xù)導(dǎo)通模式。pMOS開關(guān)一直保持導(dǎo)通，直到輸出達(dá)到調(diào)節(jié)狀態(tài)或達(dá)到電流限制。當(dāng)pMOS開關(guān)關(guān)閉時(shí)，它將保持關(guān)閉狀態(tài)，直到達(dá)到編程的關(guān)斷時(shí)間（tOFF）。在短路情況下，為了控制電流，當(dāng)VOUT < VOUT(NOM) / 4時(shí)，pMOS開關(guān)將保持關(guān)閉約4 x tOFF。

空閑模式

在輕載情況下，設(shè)備會(huì)切換到脈沖跳過(guò)的空閑模式以提高效率。當(dāng)通過(guò)pMOS開關(guān)的電流小于空閑模式閾值電流時(shí)，進(jìn)入空閑模式。在空閑模式下，pMOS開關(guān)會(huì)保持導(dǎo)通，直到通過(guò)開關(guān)的電流達(dá)到空閑模式閾值，從而減少了輕載時(shí)不必要的開關(guān)操作，降低了效率損失。同時(shí)，電流檢測(cè)電路會(huì)監(jiān)測(cè)nMOS同步開關(guān)的電流，在電流反向之前將其關(guān)閉，防止電流通過(guò)電感和nMOS開關(guān)從輸出濾波器流向地。

100%占空比模式

當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時(shí)，占空比會(huì)增加，直到pMOS MOSFET持續(xù)導(dǎo)通。100%占空比時(shí)的壓降是輸出電流乘以內(nèi)部pMOS開關(guān)的導(dǎo)通電阻和電感中的寄生電阻。只要不達(dá)到電流限制，pMOS開關(guān)將持續(xù)導(dǎo)通。

關(guān)機(jī)模式

將SHDN引腳驅(qū)動(dòng)為邏輯低電平，可使MAX1843進(jìn)入低功耗關(guān)機(jī)模式，將電源電流降低到小于1μA。在關(guān)機(jī)狀態(tài)下，所有電路和內(nèi)部MOSFET都將關(guān)閉，LX節(jié)點(diǎn)變?yōu)楦咦杩?。將SHDN引腳驅(qū)動(dòng)為邏輯高電平或連接到VCC，設(shè)備將恢復(fù)正常運(yùn)行。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)與參數(shù)選擇

輸出電壓設(shè)置

MAX1843的輸出電壓有三種預(yù)設(shè)值（+2.5V、+1.8V和+1.5V）可供選擇，也可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于預(yù)設(shè)輸出電壓，將FB連接到輸出電壓，并根據(jù)表2連接FBSEL；對(duì)于可調(diào)輸出電壓，將FBSEL連接到GND，并將FB連接到輸出電壓和地之間的電阻分壓器。

開關(guān)頻率和關(guān)斷時(shí)間編程

通過(guò)連接在TOFF和GND之間的電阻RTOFF來(lái)設(shè)置pMOS功率開關(guān)在PWM模式下的關(guān)斷時(shí)間。可以根據(jù)以下公式選擇關(guān)斷時(shí)間： [t{OFF }=frac{left(V{IN }-V{OUT }-V{PMOS }right)}{f{PWM }left(V{IN }-V{PMOS }+V{NMOS }right)}] 然后根據(jù)公式[RTOFF =(tOFF - 0.07 mu s)(110 k Omega / 1.00 mu s)]選擇RTOFF的值。推薦的RTOFF值范圍為36kΩ至430kΩ，對(duì)應(yīng)關(guān)斷時(shí)間為0.4μs至4μs。

電感選擇

電感的選擇需要考慮多個(gè)因素，關(guān)鍵參數(shù)包括電感值（L）和峰值電流（IPEAK）。電感值的計(jì)算公式為： [L=frac{V{OUT } × t{OFF }}{I{OUT } × LIR }] 其中LIR是峰 - 峰電感交流電流（紋波電流）與最大直流負(fù)載電流的比值，通常取0.25。使用上述公式時(shí)，滿載時(shí)的峰值電感電流為1.125 x IOUT；否則，峰值電流計(jì)算公式為： [PEAK =I{OUT }+frac{V{OUT } × t{OFF }}{2 × L}] 選擇電感時(shí)，其飽和電流應(yīng)至少等于峰值電感電流，并且在所選工作頻率下應(yīng)具有低損耗。

電容選擇

輸入濾波電容用于降低電壓源處的峰值電流和噪聲，應(yīng)選擇低ESR和低ESL的電容，并將其放置在距離IN引腳不超過(guò)5mm的位置。輸入電容的選擇應(yīng)根據(jù)RMS輸入紋波電流要求和電壓額定值進(jìn)行： [RIPPLE =I LOAD frac{sqrt{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}}{V{IN }}] 輸出濾波電容會(huì)影響輸出電壓紋波、輸出負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和反饋環(huán)路穩(wěn)定性。為了穩(wěn)定運(yùn)行，MAX1843要求最小輸出紋波電壓VRIPPLE ≥1% × VOUT，輸出電容的最小ESR應(yīng)滿足： [ESR >1 % × frac{L}{t{OFF }}] 同時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行需要選擇合適的輸出濾波電容，應(yīng)滿足： [C{OUT } geq frac{t{OFF }}{V{OUT }} 79 mu FV / mu s]

積分放大器

內(nèi)部跨導(dǎo)放大器用于微調(diào)輸出直流精度，通過(guò)在COMP和VCC之間連接電容CCOMP來(lái)補(bǔ)償跨導(dǎo)放大器。為了保證穩(wěn)定性，建議選擇CCOMP = 470pF。較大的電容值可以保持恒定的平均輸出電壓，但會(huì)減慢環(huán)路對(duì)輸出電壓變化的響應(yīng)速度；較小的電容值可以加快環(huán)路響應(yīng)速度，但會(huì)降低穩(wěn)定性，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的電容值。

軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)功能允許內(nèi)部電流限制逐漸增加，以減少啟動(dòng)和退出關(guān)機(jī)時(shí)的輸入浪涌電流。通過(guò)在SS和GND之間放置一個(gè)定時(shí)電容CSS來(lái)設(shè)置內(nèi)部電流限制的變化速率。上電時(shí)，當(dāng)設(shè)備從欠壓鎖定（典型值2.6V）恢復(fù)或SHDN引腳被拉高后，一個(gè)4μA的恒流源會(huì)對(duì)軟啟動(dòng)電容充電，SS引腳的電壓會(huì)逐漸升高。當(dāng)SS引腳的電壓小于約0.7V時(shí)，電流限制設(shè)置為零；當(dāng)電壓從0.7V升高到約1.8V時(shí)，電流限制從0調(diào)整到電流限制閾值。軟啟動(dòng)電容上的電壓隨時(shí)間的變化公式為： [V{S S}=frac{4 mu A × t}{C{S S}}] 軟啟動(dòng)電流限制隨SS引腳電壓的變化公式為： [SSI{LIMIT }=frac{V{S S}-0.7 V}{1.1 V} × LIMIT] 當(dāng)軟啟動(dòng)電容上的電壓達(dá)到1.8V時(shí)，恒流源停止充電。

電路布局與接地

良好的電路布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)MAX1843的預(yù)期輸出功率、高效率和低噪聲至關(guān)重要。以下是一些關(guān)鍵的布局要點(diǎn)：

1. 最小化開關(guān)電流和大電流接地環(huán)路：將輸入電容的接地端、輸出電容的接地端和PGND連接在一起，然后將這個(gè)接地島僅在一點(diǎn)連接到GND。
2. 輸入濾波電容的放置：將輸入濾波電容放置在距離IN引腳小于5mm的位置，連接銅跡線應(yīng)至少1mm寬，最好為2.5mm，以承載大電流。
3. LX節(jié)點(diǎn)組件的布局：將LX節(jié)點(diǎn)的組件盡可能靠近在一起，并靠近設(shè)備放置，以減少電阻和開關(guān)損耗以及噪聲。
4. 接地平面的使用：接地平面對(duì)于最佳性能至關(guān)重要。在大多數(shù)應(yīng)用中，電路位于多層板上，建議充分利用四層或更多層。為了散熱，將暴露的背面焊盤連接到大面積的模擬接地平面，最好是在電路板上能夠獲得良好氣流的表面。如果接地平面位于IC表面，可以利用GND相鄰的N.C.引腳來(lái)降低到接地平面的熱阻；如果接地平面位于其他位置，可以使用多個(gè)過(guò)孔來(lái)降低熱阻。典型應(yīng)用中會(huì)使用多個(gè)接地平面來(lái)最小化熱阻，同時(shí)要避免大的交流電流通過(guò)模擬接地平面。

總結(jié)

MAX1843以其高效、穩(wěn)定、靈活的特點(diǎn)，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。無(wú)論是在筆記本電腦、超極本電腦還是其他需要高效電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中，MAX1843都能發(fā)揮出其卓越的性能。通過(guò)合理選擇參數(shù)和優(yōu)化電路布局，我們可以充分發(fā)揮MAX1843的優(yōu)勢(shì)，為電子設(shè)備提供可靠的電源支持。你在使用類似的降壓調(diào)節(jié)器時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。