MAX8791/MAX8791B 單相同步 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用詳解

引言

在現(xiàn)代電子設(shè)備中，高效的電源管理至關(guān)重要。對(duì)于筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器等設(shè)備的 CPU 核心電源供應(yīng)，單相同步 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器起著關(guān)鍵作用。今天，我們將深入探討 Maxim Integrated 推出的 MAX8791/MAX8791B 單相同步 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，了解其特性、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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產(chǎn)品概述

基本特性

MAX8791/MAX8791B 是單相同步、非反相 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器，專為與 MAX8736 或 MAX8786 等控制器 IC 配合使用而設(shè)計(jì)，適用于多相筆記本 CPU 核心穩(wěn)壓器。它具有以下顯著特點(diǎn)：

• 高效轉(zhuǎn)換：支持單級(jí)或兩級(jí)轉(zhuǎn)換，單級(jí)轉(zhuǎn)換可實(shí)現(xiàn)最高效率，兩級(jí)轉(zhuǎn)換在較高開關(guān)頻率下可提供最小物理尺寸。
• 快速驅(qū)動(dòng)：低側(cè)驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化用于驅(qū)動(dòng) 3nF 電容負(fù)載，典型下降/上升時(shí)間為 4ns/8ns；高側(cè)驅(qū)動(dòng)器典型下降/上升時(shí)間為 8ns/10ns。
• 自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制：防止直通電流，最大化轉(zhuǎn)換器效率。
• 寬輸入電壓范圍：2V 至 24V 的輸入電壓范圍，適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景。
• 可選脈沖跳過模式：提高輕載效率。
• 小尺寸封裝：采用 3mm x 3mm 的 8 引腳 TQFN 無鉛封裝，節(jié)省空間。

典型應(yīng)用電路

MAX8791/MAX8791B 的典型應(yīng)用電路展示了其在實(shí)際應(yīng)用中的連接方式。輸入電壓范圍為 5V 至 24V，通過 PWM 信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)器輸出，可實(shí)現(xiàn)對(duì) MOSFET 的高效驅(qū)動(dòng)。

電氣特性分析

絕對(duì)最大額定值

在使用 MAX8791/MAX8791B 時(shí)，必須注意其絕對(duì)最大額定值，以確保器件的安全運(yùn)行。例如，VDD 到 GND 的電壓范圍為 -0.3V 至 +6V，連續(xù)功率耗散在 (T_{A}=+70^{circ} C) 時(shí)為 1315mW（高于 +70°C 時(shí)需降額）。

電氣參數(shù)

詳細(xì)的電氣參數(shù)表提供了該驅(qū)動(dòng)器在不同條件下的性能指標(biāo)。例如，輸入電壓范圍為 4.20V 至 5.50V，PWM 脈沖寬度的最小導(dǎo)通時(shí)間為 50ns，最小關(guān)斷時(shí)間為 300ns。這些參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說是非常重要的參考依據(jù)。

工作原理與關(guān)鍵特性

自適應(yīng)直通保護(hù)

MAX8791/MAX8791B 的 DH 和 DL 驅(qū)動(dòng)器針對(duì)中等大小的高端和較大的低端功率 MOSFET 進(jìn)行了優(yōu)化。通過兩個(gè)自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間電路，監(jiān)測(cè) DH 和 DL 輸出，防止對(duì)側(cè) FET 在另一側(cè)完全關(guān)斷之前導(dǎo)通，從而避免直通電流，提高轉(zhuǎn)換器效率。

內(nèi)部升壓開關(guān)

該驅(qū)動(dòng)器采用自舉電路為高端 n 溝道 MOSFET 提供必要的驅(qū)動(dòng)電壓。內(nèi)部 p 溝道 MOSFET 形成理想二極管，在 VDD 和 BST 之間提供低電壓降。升壓電容值的選擇根據(jù)高端 MOSFET 的總柵極電荷和允許的電壓變化來確定。

低功耗脈沖跳過模式

當(dāng) SKIP 引腳被拉低時(shí)，MAX8791/MAX8791B 進(jìn)入低功耗脈沖跳過模式。在輕載時(shí)，自動(dòng)切換到脈沖頻率調(diào)制（PFM），通過零交叉比較器在電感電流過零時(shí)截?cái)嗟投碎_關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，提高輕載效率。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

功率 MOSFET 選擇

在選擇功率 MOSFET 時(shí)，需要考慮多個(gè)因素。對(duì)于高端 MOSFET，要確保其能夠在 (V{IN(MIN)}) 和 (V{IN(MAX)}) 下有效散熱，理想情況下，兩者的損耗應(yīng)大致相等。對(duì)于低端 MOSFET，應(yīng)選擇導(dǎo)通電阻盡可能低、封裝適中且價(jià)格合理的器件。

MOSFET 功率損耗計(jì)算

MOSFET 的功率損耗主要包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。高端 MOSFET 的導(dǎo)通損耗在最小輸入電壓時(shí)達(dá)到最壞情況，開關(guān)損耗的計(jì)算較為復(fù)雜，需要考慮多個(gè)因素。低端 MOSFET 的導(dǎo)通損耗在最大輸入電壓時(shí)達(dá)到最壞情況。

IC 功率損耗和熱考慮

IC 封裝的功率損耗主要來自驅(qū)動(dòng) MOSFET，與開關(guān)頻率和所選 MOSFET 的總柵極電荷有關(guān)。通過計(jì)算偏置電流和熱阻，可以估算芯片的溫度上升。

避免低端 MOSFET 誤開啟

在高輸入電壓下，高端 MOSFET 的快速開啟可能會(huì)導(dǎo)致低端 MOSFET 瞬間開啟。為避免這種情況，應(yīng)選擇 (C{RSS} / C{ISS}) 比值較小的低端 MOSFET，并可通過在 BST 和 CBST 之間添加電阻或在高端 MOSFET 的柵極和源極之間添加電容來減緩高端 MOSFET 的開啟速度。

PCB 布局指南

合理的 PCB 布局對(duì)于 MAX8791/MAX8791B 的性能至關(guān)重要。應(yīng)將所有去耦電容盡可能靠近 IC 引腳放置，最小化高電流環(huán)路的長(zhǎng)度，提供足夠的銅面積用于散熱，并將 GND 引腳盡可能靠近低端 MOSFET 的源極連接。

總結(jié)

MAX8791/MAX8791B 單相同步 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器以其高效、快速、靈活的特點(diǎn)，為多相筆記本 CPU 核心穩(wěn)壓器等應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要充分考慮其電氣特性、工作原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用類似驅(qū)動(dòng)器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。