汽車(chē)應(yīng)用利器：MAX20057電源管理芯片詳解

在汽車(chē)電子領(lǐng)域，高性能且可靠的電源管理解決方案至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入探討Analog Devices公司的MAX20057芯片，它是一款專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)應(yīng)用設(shè)計(jì)的高度集成的三輸出電源管理集成電路（PMIC），能滿足各種汽車(chē)場(chǎng)景下的電源需求。

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芯片概述

MAX20057集成了兩個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)異步升壓控制器，具備2.1MHz和400kHz兩種開(kāi)關(guān)頻率可選。升壓控制器可以為降壓轉(zhuǎn)換器供電，在冷啟動(dòng)操作時(shí)，即使電池輸入低至2V，也能使降壓轉(zhuǎn)換器保持穩(wěn)壓輸出。兩個(gè)高壓同步降壓轉(zhuǎn)換器以180°異相運(yùn)行，能有效降低輸入電流紋波。該芯片的輸入電壓范圍為3.5V至36V，還可以在95%的占空比下工作于壓差條件，適用于中高功率需求、寬輸入電壓范圍的應(yīng)用，如汽車(chē)?yán)鋯?dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)啟停工況。

芯片亮點(diǎn)功能

高開(kāi)關(guān)頻率與低紋波

高達(dá)2.1MHz的開(kāi)關(guān)頻率，允許使用更小的外部組件，有效降低輸出紋波，同時(shí)保證不會(huì)對(duì)AM頻段產(chǎn)生干擾。開(kāi)關(guān)頻率可固定在400kHz或2.1MHz。FSYNC輸入可編程，提供三種模式以?xún)?yōu)化性能，包括強(qiáng)制固定頻率操作、超低靜態(tài)電流的跳頻模式以及與外部時(shí)鐘的鎖相環(huán)同步，而擴(kuò)頻選項(xiàng)則能最大程度減少電磁干擾（EMI）。

電源狀態(tài)指示與保護(hù)功能

芯片為每個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器提供電源良好（Power-OK）指示燈，還具備欠壓鎖定（UVLO）功能，對(duì)每個(gè)電源軌進(jìn)行監(jiān)測(cè)。保護(hù)特性包括逐周期電流限制和熱關(guān)斷功能，確保在各種異常情況下芯片和系統(tǒng)的安全。并且，MAX20057的工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C，符合汽車(chē)級(jí)應(yīng)用的溫度要求。

低功耗設(shè)計(jì)

在不同工作模式下，芯片的功耗表現(xiàn)出色。當(dāng)5V降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)啟時(shí)，電源電流僅為10μA；當(dāng)3.3V降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)啟時(shí)，電源電流為8μA；當(dāng)所有穩(wěn)壓器都開(kāi)啟時(shí)，電源電流也僅為30μA，滿足了汽車(chē)電子對(duì)低功耗的嚴(yán)格要求。

芯片的關(guān)鍵參數(shù)與性能

電壓與電流參數(shù)

輸入電壓范圍為3.5V至36V，在滿足特定條件下，啟動(dòng)后甚至可以低至2.05V。不同模式下的電源電流從1μA到30μA不等，能適應(yīng)各種工作場(chǎng)景。降壓轉(zhuǎn)換器1（Buck1）可提供固定的5V輸出或可調(diào)的1V至14V輸出，最大連續(xù)電流能力為3.5A；降壓轉(zhuǎn)換器2（Buck2）可提供固定的3.3V輸出或可調(diào)的1V至14V輸出，最大連續(xù)電流能力為2A。升壓控制器的輸出電壓有10V固定輸出或可調(diào)輸出選項(xiàng)。

開(kāi)關(guān)頻率與同步特性

內(nèi)部振蕩器提供400kHz和2.1MHz兩種開(kāi)關(guān)頻率選項(xiàng)。2.1MHz頻率運(yùn)行可優(yōu)化應(yīng)用，使用最小尺寸的組件，但效率相對(duì)較低；400kHz頻率運(yùn)行能提供最佳的整體效率，但組件尺寸和電路板空間會(huì)相應(yīng)增加。通過(guò)FSYNC引腳施加外部時(shí)鐘可實(shí)現(xiàn)頻率同步，芯片使用鎖相環(huán)（PLL）將內(nèi)部振蕩器與外部時(shí)鐘信號(hào)同步。

保護(hù)特性參數(shù)

逐周期電流限制可防止過(guò)流損壞，當(dāng)檢測(cè)到輸出電壓低于0.7V時(shí)，會(huì)關(guān)閉相應(yīng)通道，并在約10ms的打嗝時(shí)間后嘗試重啟。熱過(guò)載保護(hù)在結(jié)溫超過(guò) +170°C時(shí)，會(huì)關(guān)閉芯片，待溫度降低20°C后重新開(kāi)啟。

引腳配置與功能

MAX20057采用28引腳TQFN封裝，每個(gè)引腳都有特定的功能。例如，EN1、EN2、EN3分別是降壓轉(zhuǎn)換器1、降壓轉(zhuǎn)換器2和升壓控制器的使能引腳，通過(guò)將這些引腳連接到電池電壓或電源排序邏輯，可以控制每個(gè)電源的開(kāi)關(guān)。OUT1和OUT2分別是降壓轉(zhuǎn)換器1和降壓轉(zhuǎn)換器2的輸出感測(cè)輸入，F(xiàn)B1和FB2是反饋輸入，用于設(shè)置輸出電壓。PGOOD1和PGOOD2是電源良好輸出，可用于指示相應(yīng)降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓狀態(tài)。

應(yīng)用電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

• 輸出電壓設(shè)置：連接FB1和FB2到BIAS可啟用預(yù)設(shè)的固定降壓輸出電壓（5V或3.3V），若要外部調(diào)整輸出電壓在1V至14V之間，需連接一個(gè)電阻分壓器從轉(zhuǎn)換器輸出到相應(yīng)的FB_輸入，再到AGND。
• 輸入電容選擇：推薦使用4.7μF的陶瓷輸入電容，可根據(jù)應(yīng)用的輸入電壓紋波要求進(jìn)行調(diào)整。
• 電感選擇：根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率和輸出電流等參數(shù)選擇合適的電感值、電感飽和電流和直流電阻。
• 輸出電容選擇：主要根據(jù)等效串聯(lián)電阻（ESR）和耐壓值選擇輸出電容，以滿足輸出紋波和負(fù)載瞬態(tài)要求。

升壓控制器設(shè)計(jì)

• 輸出電壓設(shè)置：對(duì)于固定10V輸出，將FB3連接到升壓輸出；對(duì)于可調(diào)輸出，連接一個(gè)電阻分壓器從升壓轉(zhuǎn)換器輸出到FB3，再到AGND。
• 電感選擇：根據(jù)占空比、頻率和輸出電流等計(jì)算電感值，選擇低直流電阻且飽和電流額定值高于升壓峰值開(kāi)關(guān)電流限制的電感。
• 輸入電容和輸出電容選擇：通過(guò)相應(yīng)的公式計(jì)算輸入電容的最小值和最大ESR，以及輸出電容的容量，以滿足輸入和輸出的紋波要求。
• 電流感測(cè)電阻和MOSFET選擇：電流感測(cè)電阻用于設(shè)置升壓輸入電流限制，MOSFET的選擇需考慮最大柵源閾值電壓、最大連續(xù)漏極電流、漏源導(dǎo)通電阻、最大漏源電壓和總柵極電荷等參數(shù)。
• 補(bǔ)償組件計(jì)算：通過(guò)計(jì)算功率調(diào)制器、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)和誤差放大器的相關(guān)參數(shù)，確定補(bǔ)償組件的數(shù)值，以保證升壓調(diào)節(jié)環(huán)路的穩(wěn)定性。

PCB布局指南

PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)低開(kāi)關(guān)損耗、低EMI和穩(wěn)定的運(yùn)行至關(guān)重要。應(yīng)將所有功率組件安裝在電路板的頂層，盡量減小高頻電流環(huán)路。對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，輸入旁路電容應(yīng)盡可能靠近SUPSW1和SUPSW2；對(duì)于升壓控制器，應(yīng)保持包含N溝道MOSFET、二極管和輸出電容的環(huán)路盡可能小。同時(shí)，要將敏感的模擬信號(hào)與嘈雜的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和高電流環(huán)路分開(kāi)，合理布置接地平面，以降低噪聲干擾。

典型應(yīng)用電路

文檔中給出了兩種典型的應(yīng)用電路配置，分別是MAX20057ATIF/VY+配置（2.1MHz，5V/3.3V/可調(diào)輸出）和MAX20057ATIC/VY+配置（400kHz，5V/3.3V/10V輸出），為工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供了參考。

總結(jié)

MAX20057芯片憑借其高度集成的設(shè)計(jì)、出色的性能和豐富的保護(hù)功能，為汽車(chē)電子應(yīng)用提供了一個(gè)可靠的電源管理解決方案。無(wú)論是在冷啟動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)啟停等復(fù)雜工況下，還是在降低功耗、減少EMI等方面，都表現(xiàn)出色。工程師在使用該芯片時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇開(kāi)關(guān)頻率、設(shè)置輸出電壓、選擇合適的外部組件，并注意PCB布局的細(xì)節(jié)，以充分發(fā)揮芯片的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用類(lèi)似電源管理芯片時(shí)，遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。