深入解析MAX1960/MAX1961/MAX1962：高效PWM降壓控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理模塊的性能往往直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們將深入探討Maxim公司的MAX1960/MAX1961/MAX1962系列高電流、高效率電壓模式降壓DC - DC控制器，了解它們的特性、工作原理以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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產(chǎn)品概述

MAX1960/MAX1961/MAX1962能夠在2.35V至5.5V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，可產(chǎn)生低至0.8V的輸出電壓，最大輸出電流可達(dá)20A。片上電荷泵可產(chǎn)生穩(wěn)定的5V電壓，用于驅(qū)動(dòng)各種外部N溝道MOSFET。其固定頻率PWM操作和外部同步功能，使其非常適合電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用。

關(guān)鍵特性

• 高精度輸出：輸出精度高達(dá)0.5%，能滿足對(duì)電壓精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。
• 寬輸入電壓范圍：2.35V至5.5V的輸入范圍，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 高效電荷泵：片上電荷泵提供5V柵極驅(qū)動(dòng)，支持多種MOSFET。
• 靈活的頻率設(shè)置：可通過(guò)外部設(shè)置工作頻率為500kHz或1MHz，也可使用450kHz至1.2MHz的外部時(shí)鐘進(jìn)行同步。
• 電壓裕量調(diào)節(jié)：MAX1960/MAX1961具備±4%的電壓裕量調(diào)節(jié)功能，方便系統(tǒng)測(cè)試。
• 自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間：防止高低側(cè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，避免直通電流。

工作原理

內(nèi)部電荷泵

內(nèi)部電荷泵在低至2.35V的輸入電壓下，可產(chǎn)生5V、最大50mA的輸出。該輸出為內(nèi)部電路、低端驅(qū)動(dòng)器（DL）和高端MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器（DH）提供電源。電荷泵與DL驅(qū)動(dòng)器信號(hào)同步，工作頻率為PWM頻率的一半。電荷泵的輸出電流需滿足公式 (I{TOTAL} = I{AVDD} + f{OSC}(Q{G1} + Q{G2})) ，其中 (I{AVDD}) 為通過(guò)AVDD提供給IC的電流， (f{OSC}) 為PWM開(kāi)關(guān)頻率， (Q{G1}) 和 (Q{G2}) 分別為高端和低端MOSFET的柵極電荷。在1MHz工作頻率下， (Q{G1} + Q_{G2}) 應(yīng)小于48nC。

電壓裕量調(diào)節(jié)與關(guān)斷功能

所有三款器件都有關(guān)斷功能，關(guān)斷時(shí)停止輸出驅(qū)動(dòng)器和電荷泵的開(kāi)關(guān)操作，將電源電流降低至小于15μA。

MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器

DH和DL驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)邏輯電平N溝道MOSFET，推薦使用VGS為4.5V時(shí)RDSON額定的MOSFET。自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間電路可防止高低側(cè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

欠壓鎖定與軟啟動(dòng)

MAX1960/MAX1961/MAX1962具有兩個(gè)欠壓鎖定（UVLO）電路，分別監(jiān)測(cè)VCC和電荷泵輸出VDD。當(dāng)VCC低于2.15V（典型值）或VDD低于4.2V（典型值）時(shí)，UVLO電路將禁止開(kāi)關(guān)操作，并使DL為高、DH為低。當(dāng)監(jiān)測(cè)電壓高于閾值時(shí)，內(nèi)部軟啟動(dòng)定時(shí)器將逐步提升誤差放大器的參考電壓，在1MHz工作頻率下，激活后1.28ms可達(dá)到滿輸出電壓。

工作頻率與同步

器件的工作頻率可通過(guò)外部設(shè)置為500kHz或1MHz，也可使用450kHz至1.2MHz的外部時(shí)鐘進(jìn)行同步。此外，還提供一個(gè)與內(nèi)部時(shí)鐘相位相差180°的時(shí)鐘輸出（CLKOUT），可用于同步另一個(gè)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)180°異相操作。

電流限制

• 無(wú)損電流限制（MAX1960/MAX1961）：通過(guò)監(jiān)測(cè)低端MOSFET的導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）來(lái)實(shí)現(xiàn)電流限制。當(dāng)電流感測(cè)電壓（VPGND - VLX）在128個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)高于電流限制閾值時(shí)，控制器將關(guān)閉，直到輸入電壓移除或通過(guò)CTL1和CTL2重新啟用。
• 電流感測(cè)電阻（MAX1962）：MAX1962使用與電感串聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)電流感測(cè)電阻進(jìn)行電流限制測(cè)量，精度為10%，電流感測(cè)閾值為50mV。此外，也可使用電感電阻進(jìn)行電流感測(cè)，將串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)跨接在電感上，但這種方法精度較低，但成本也較低，效率略高。

降壓性能

當(dāng)輸入電壓不足以維持輸出調(diào)節(jié)時(shí)，器件將進(jìn)入降壓模式。在1MHz開(kāi)關(guān)頻率下，最大占空比約為83%；在500kHz時(shí)，占空比可增加至約92%，從而降低降壓電壓。占空比計(jì)算公式為 (D = frac{V{OUT} + V{DROP(L)}}{V{IN} - V{DROP(N1)} - V_{DROP(N2)}}) 。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

元件選擇

• 輸入電壓范圍：需考慮連接器、保險(xiǎn)絲和選擇開(kāi)關(guān)等造成的電壓降，確保輸入電壓范圍滿足要求。
• 最大負(fù)載電流：峰值負(fù)載電流決定了瞬時(shí)元件應(yīng)力和濾波要求，連續(xù)負(fù)載電流決定了熱應(yīng)力。
• 電感工作點(diǎn)：較高的電感值可降低電感紋波電流、峰值電流和開(kāi)關(guān)損耗，但會(huì)降低瞬態(tài)響應(yīng)速度；較低的電感值則相反。

設(shè)置輸出電壓

MAX1961具有四個(gè)預(yù)設(shè)輸出電壓，可通過(guò)SEL引腳選擇；MAX1962也有四個(gè)預(yù)設(shè)輸出電壓，且可調(diào)節(jié)至0.8V。對(duì)于MAX1960/MAX1962，可通過(guò)連接FB到輸出的電阻分壓器來(lái)設(shè)置輸出電壓，公式為 (R1 = R2 times (frac{V{OUT}}{V{FB}} - 1)) ，其中 (V_{FB} = 0.8V) 。

電感選擇

電感值可通過(guò)公式 (L = V{OUT} times frac{V{IN} - V{OUT}}{V{IN} times f{OSC} times LIR times I{LOAD(MAX)}}) 計(jì)算，電感電流紋波（LIR）建議在20%至40%之間。同時(shí)，電感的飽和電流額定值應(yīng)超過(guò) (I{PEAK} = I{LOAD(MAX)} + (frac{LIR}{2}) times I_{LOAD(MAX)}) 。

輸出電容選擇

輸出濾波電容需具有足夠低的等效串聯(lián)電阻（ESR），以滿足輸出紋波和負(fù)載瞬態(tài)要求。在負(fù)載瞬態(tài)較大的應(yīng)用中，ESR應(yīng)滿足 (R{ESR} leq frac{V{DIP}}{I{LOADSTEP(MAX)}}) ；在負(fù)載瞬態(tài)較小的應(yīng)用中，ESR應(yīng)滿足 (R{ESR} leq frac{V{RIPPLE(P - P)}}{LIR times I{LOAD(MAX)}}) 。

輸入電容選擇

輸入電容可降低從輸入電源吸取的電流峰值，減少噪聲注入。輸入電容值主要由輸入電源的源阻抗決定，需滿足開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生的紋波電流要求，RMS輸入紋波電流計(jì)算公式為 (I{RMS} = I{LOAD} times frac{sqrt{V{OUT} times (V{IN} - V{OUT})}}{V{IN}}) 。

補(bǔ)償與穩(wěn)定性

• 陶瓷輸出電容補(bǔ)償：采用Type 3補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，利用局部反饋創(chuàng)建兩個(gè)零點(diǎn)和三個(gè)極點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。
• 電解輸出電容補(bǔ)償：使用電壓模式控制方案，通過(guò)比較誤差放大器輸出（COMP）與固定內(nèi)部斜坡來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。需補(bǔ)償電感和輸出電容產(chǎn)生的雙極點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高帶寬閉環(huán)系統(tǒng)。

MOSFET選擇

選擇MOSFET時(shí)，需考慮總柵極電荷（QG）、反向傳輸電容（CRSS）、導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）、柵極閾值電壓（VTH(MIN)）、開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)延遲等參數(shù)。在高開(kāi)關(guān)頻率下，動(dòng)態(tài)特性對(duì)效率的影響可能更大。同時(shí)，需確保 (Q{G1} + Q{G2} leq frac{50mA}{f_{S}}) 。

MOSFET RC緩沖電路

為抑制開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的高頻振鈴，可在每個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)上添加串聯(lián)RC緩沖電路。緩沖元件的典型值為 (C{SNUB} = 4700pF) 和 (R{SNUB} = 1Ω) ，具體值需根據(jù)電路寄生參數(shù)確定。

MOSFET功率損耗

MOSFET的功率損耗包括電阻損耗和開(kāi)關(guān)損耗。高端MOSFET的最壞情況功率損耗發(fā)生在最小輸入電壓時(shí)，低端MOSFET的最壞情況功率損耗發(fā)生在最大輸入電壓時(shí)。

PCB布局指南

• 盡量將MOSFET、電感、輸入/輸出電容和電流感測(cè)電阻安裝在頂層，將這些器件的接地連接在電源接地跡線上，并將其他接地連接到單獨(dú)的模擬接地平面，模擬接地平面和電源接地在單點(diǎn)連接。
• 為幫助散熱，將高功率元件放置在較大的PCB區(qū)域，保持高電流跡線短而寬，以降低電阻。
• 對(duì)于MAX1960/MAX1961，使用開(kāi)爾文感測(cè)連接將LX和PGND連接到低端MOSFET；對(duì)于MAX1962，使用開(kāi)爾文感測(cè)連接將CS和OUT連接到電流感測(cè)電阻。
• 將REF電容、BST二極管和電容以及電荷泵組件盡可能靠近IC放置。如果IC離輸入電容較遠(yuǎn)，在VCC引腳附近使用0.1μF或更大的陶瓷電容將VCC旁路到GND。

總結(jié)

MAX1960/MAX1961/MAX1962系列降壓控制器憑借其高精度、高效率和靈活的特性，為電信、數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域的電源設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理選擇元件、優(yōu)化PCB布局以及確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是關(guān)鍵。希望本文能為電子工程師在使用這些控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有益的參考。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否遇到過(guò)類似控制器的應(yīng)用問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。