探索MAX20075D/MAX20076D/MAX20076E/MAX25276D：高性能迷你降壓轉(zhuǎn)換器的卓越之選

引言

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理模塊一直是至關(guān)重要的一環(huán)。一款性能優(yōu)良的降壓轉(zhuǎn)換器能夠?yàn)樵O(shè)備提供穩(wěn)定、高效的電源供應(yīng)，從而確保設(shè)備的正常運(yùn)行。今天，我們就來(lái)詳細(xì)探討一下Analog Devices推出的MAX20075D/MAX20076D/MAX20076E/MAX25276D系列36V、600mA/1.2A迷你降壓轉(zhuǎn)換器，看看它有哪些獨(dú)特的魅力。

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一、產(chǎn)品概述

1.1 基本特性

MAX20075D/MAX20076D/MAX25276D是小型同步降壓轉(zhuǎn)換器，集成了高端和低端開關(guān)。其中，MAX20076D/MAX25276D可提供高達(dá)1.2A的輸出電流，MAX20075D則可提供高達(dá)0.6A的輸出電流。它們的輸入電壓范圍為3.5V至36V，在無(wú)負(fù)載時(shí)僅消耗3.5μA的靜態(tài)電流，具有出色的低功耗特性。

1.2 輸出精度

在6V至18V的正常工作輸入范圍內(nèi)，該系列轉(zhuǎn)換器能夠提供±2%的精確輸出電壓，保證了電源輸出的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。此外，其最小導(dǎo)通時(shí)間能力為20ns，可實(shí)現(xiàn)大的輸入 - 輸出轉(zhuǎn)換比，適用于多種不同的電源轉(zhuǎn)換場(chǎng)景。

1.3 應(yīng)用場(chǎng)景

憑借其高性能和穩(wěn)定性，該系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)以及高壓DC - DC轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域。在汽車電子中，它能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜的電源環(huán)境和嚴(yán)格的電磁兼容性要求；在工業(yè)應(yīng)用中，其高可靠性和寬輸入電壓范圍確保了設(shè)備在各種惡劣條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。

二、產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

2.1 集成FET的同步DC - DC轉(zhuǎn)換器

集成的FET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）減少了外部元件的使用，降低了成本和電路板空間。不同型號(hào)的輸出電流能力滿足了不同應(yīng)用的需求，如MAX20075D的0.6A輸出和MAX20076D/MAX25276D的1.2A輸出。

2.2 超低靜態(tài)電流

在待機(jī)模式下，僅需3.5μA的靜態(tài)電流，這對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)的設(shè)備來(lái)說至關(guān)重要，能夠大大延長(zhǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。

2.3 小尺寸解決方案

2.1MHz的固定頻率允許使用小型外部元件，同時(shí)降低了輸出紋波。用戶可以通過外部電阻分壓器將輸出電壓設(shè)置在1V至10V之間，也可以選擇固定的5V或3.3V輸出電壓，具有很強(qiáng)的靈活性。

2.4 創(chuàng)新的電流模式控制架構(gòu)

這種架構(gòu)能夠有效減少總電路板空間和物料清單（BOM）數(shù)量，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程，降低了設(shè)計(jì)成本。

2.5 簡(jiǎn)化的電源排序

PGOOD輸出和高壓EN輸入使得電源排序更加簡(jiǎn)單，方便了系統(tǒng)的集成和控制。

2.6 完善的保護(hù)功能

• 寬工作電壓范圍：3.5V至36V的工作輸入電壓范圍，以及40V的負(fù)載突降保護(hù)能力，確保了產(chǎn)品在復(fù)雜電源環(huán)境下的可靠性。
• 高占空比運(yùn)行：能夠以99%的占空比運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)低壓差，適用于對(duì)電源效率要求較高的應(yīng)用。
• 寬溫度范圍：-40°C至+125°C的汽車溫度范圍，并且經(jīng)過AEC - Q100認(rèn)證，滿足汽車電子的嚴(yán)格要求。

三、詳細(xì)技術(shù)分析

3.1 引腳配置與功能

3.2 工作模式與特性

3.2.1 使能輸入（EN）

通過將EN引腳驅(qū)動(dòng)為高電平來(lái)激活器件，EN兼容3.3V邏輯電平至汽車電池電平，可由微控制器和汽車KEY或CAN抑制信號(hào)控制。為了實(shí)現(xiàn)可編程的欠壓鎖定電平，可以使用電阻分壓器從SUP連接到EN再到AGND。

3.2.2 BIAS/UVLO

器件具有欠壓鎖定功能。當(dāng)器件啟用時(shí)，內(nèi)部偏置發(fā)生器開啟。當(dāng)VBIAS超過內(nèi)部欠壓鎖定電平（典型值為2.73V）時(shí)，LX開始切換。

3.2.3 軟啟動(dòng)

內(nèi)部軟啟動(dòng)定時(shí)器的輸出電壓軟啟動(dòng)斜坡時(shí)間典型值為2.5ms。如果在軟啟動(dòng)定時(shí)器到期后遇到短路或欠壓情況，器件將禁用6ms（典型值），然后重新嘗試軟啟動(dòng)，直到短路情況消除。

3.2.4 振蕩器/同步和效率（SYNC）

片上振蕩器提供典型值為2.1MHz的開關(guān)頻率。根據(jù)SYNC引腳的狀態(tài)，器件有兩種工作模式：當(dāng)SYNC未連接或接地時(shí)，器件工作在高效脈沖跳躍模式；當(dāng)SYNC連接到BIAS或有時(shí)鐘信號(hào)輸入時(shí)，器件工作在強(qiáng)制PWM模式（FPWM）。在運(yùn)行過程中，可以通過切換SYNC引腳在兩種模式之間進(jìn)行切換。

3.2.5 跳躍模式操作

當(dāng)SYNC引腳接地或未連接，且峰值負(fù)載電流小于150mA（典型值）時(shí)，器件進(jìn)入跳躍模式。在該模式下，高端FET開啟，直到電感器中的電流上升到150mA（典型值）的峰值，并且內(nèi)部反饋電壓高于調(diào)節(jié)電壓（典型值為1.0V），此時(shí)高端和低端FET都關(guān)閉。根據(jù)輸出電容和負(fù)載電流的選擇，當(dāng)OUT（谷值）下降到低于1.0V（典型值）的反饋電壓時(shí)，高端FET再次開啟。在跳躍模式啟動(dòng)完成后，內(nèi)部高壓LDO關(guān)閉，以減少輸入電流。

3.2.6 輕載高效運(yùn)行

器件在輕載時(shí)具有極低的靜態(tài)電流，能夠提高效率并延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)輸出電流小于約5mA時(shí)，器件進(jìn)入最低靜態(tài)電流模式（待機(jī)模式），此時(shí)大部分內(nèi)部電路（除了維持調(diào)節(jié)所需的部分）關(guān)閉以節(jié)省電流。對(duì)于負(fù)載電流大于5mA的情況，器件進(jìn)入正常跳躍模式，仍然保持很高的效率。

3.2.7 強(qiáng)制固定頻率控制EMI

在FPWM模式下，器件嘗試在所有負(fù)載電流下以恒定的開關(guān)頻率運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)最嚴(yán)格的頻率控制，可以將工作頻率施加到SYNC引腳。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)頻率恒定，有助于改善EMI性能，但缺點(diǎn)是可能會(huì)消耗較多的電流。

3.2.8 擴(kuò)展輸入電壓范圍

在某些情況下，器件可能會(huì)偏離其工作頻率。當(dāng)輸入電壓高于18V時(shí)，調(diào)節(jié)輸出所需的占空比可能小于最小導(dǎo)通時(shí)間（典型值為66ns），此時(shí)器件會(huì)通過跳躍脈沖來(lái)降低開關(guān)頻率。如果調(diào)節(jié)的輸出電壓小于3V，部分型號(hào)（如MAX20075DATCC/VY+等）可以在2.1MHz下實(shí)現(xiàn)無(wú)脈沖跳躍的調(diào)節(jié)。當(dāng)輸入電壓降低且器件接近壓差狀態(tài)時(shí)，高端FET會(huì)嘗試持續(xù)開啟，為了保持高端FET的柵極電荷，BST電容需要定期充電，因此高端FET每20μs關(guān)閉一次，低端FET開啟約200ns，此時(shí)有效占空比大于99%，開關(guān)頻率為50kHz。

3.2.9 擴(kuò)展頻譜選項(xiàng)

通過SPS引腳可以啟用可選的擴(kuò)展頻譜功能。當(dāng)SPS引腳拉高時(shí)，內(nèi)部工作頻率相對(duì)于內(nèi)部生成的2.1MHz（典型值）工作頻率變化±6%，有助于改善器件的EMI性能。該功能僅在器件使用內(nèi)部生成的開關(guān)頻率運(yùn)行時(shí)有效，不會(huì)干擾施加在SYNC引腳上的外部時(shí)鐘。

3.2.10 電源良好（PGOOD）

器件具有開漏電源良好輸出。當(dāng)輸出電壓低于其標(biāo)稱值的93%時(shí)，PGOOD引腳拉低；當(dāng)輸出電壓高于其標(biāo)稱值的93.5%時(shí)，PGOOD引腳為高阻抗。需要連接一個(gè)20kΩ（典型值）的上拉電阻到外部電源或片上BIAS輸出。

3.2.11 過流保護(hù)

器件將峰值輸出電流限制在1.9A（典型值），電流限制的精度為±12%，這使得外部元件的選擇變得非常容易。當(dāng)OUT電壓低于其標(biāo)稱值的50%（部分型號(hào)為25%）且檢測(cè)到過流事件時(shí)，器件會(huì)關(guān)閉。器件每7ms嘗試一次軟啟動(dòng)重啟，如果短路情況未消除，則保持關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)電流限制不再存在時(shí)，器件將按照正常的軟啟動(dòng)序列達(dá)到輸出電壓。如果在電流限制事件期間，器件的管芯溫度達(dá)到+175°C（典型值），則會(huì)立即關(guān)閉。

3.2.12 熱過載保護(hù)

當(dāng)結(jié)溫超過+175°C（典型值）時(shí)，器件會(huì)關(guān)閉。當(dāng)器件冷卻15°C（典型值）后，會(huì)以軟啟動(dòng)序列重新開啟。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 設(shè)置輸出電壓

如果需要固定輸出電壓，可以將FB引腳連接到BIAS。若要將輸出設(shè)置為1V至10V之間的其他電壓，可以連接一個(gè)電阻分壓器從輸出（OUT）到FB再到AGND。選擇RFB2（FB到AGND的電阻）小于或等于500kΩ，并使用以下公式計(jì)算RFB1（OUT到FB的電阻）： [R{FB 1}=R{FB 2}left[left(V{OUT } / V{FB}right)-1right]] 其中 (V_{FB}=1 ~V) 。

4.2 電感選擇

對(duì)于所有輸入和輸出電壓條件，設(shè)計(jì)使用4.7μH的電感進(jìn)行優(yōu)化。所選電感的標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)在4.7μH的±50%范圍內(nèi)。

4.3 輸入電容

推薦使用4.7μF的低ESR陶瓷輸入電容，以確保器件正常工作。該值可以根據(jù)應(yīng)用的輸入電壓紋波要求進(jìn)行調(diào)整。輸入電容的選擇需要考慮開關(guān)頻率、峰值電感電流和允許的輸入電壓峰 - 峰紋波等因素。

4.4 輸出電容

對(duì)于內(nèi)部固定電壓選項(xiàng)，為了獲得最佳相位裕度（典型值大于70°），推薦使用22μF的輸出電容。如果可以接受較低的相位裕度，也可以使用較小的輸出電容。對(duì)于其他設(shè)計(jì)，至少需要10μF的輸出電容。具體的輸出電容值需要根據(jù)應(yīng)用的輸出電壓紋波要求和快速瞬態(tài)負(fù)載下的輸出電壓最大偏差來(lái)確定。

4.5 PCB布局指南

PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)低開關(guān)功率損耗和干凈、穩(wěn)定的操作至關(guān)重要。建議盡可能使用多層板以提高抗噪能力，并遵循以下布局指南：

• 輸入電容應(yīng)緊鄰SUP引腳放置，以有效去耦高頻噪聲。
• 將暴露焊盤焊接到器件下方的大面積銅平面上，并通過頂部和底部的銅區(qū)域以及一些小過孔或一個(gè)大過孔進(jìn)行有效的熱交換。暴露焊盤應(yīng)連接到PGND，最好在輸出電容的返回端。
• 隔離功率元件和高電流路徑與敏感的模擬電路。
• 縮短高電流路徑，特別是在接地端子處，以確保穩(wěn)定、無(wú)抖動(dòng)的操作。
• 將PGND和AGND連接在一起，最好在輸出電容的返回端。
• 縮短功率走線和負(fù)載連接，使用厚銅PCB以提高滿載效率和功率耗散能力。
• 遠(yuǎn)離敏感模擬區(qū)域布線高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)，使用內(nèi)部PCB層作為PGND來(lái)屏蔽輻射噪聲。

五、總結(jié)

MAX20075D/MAX20076D/MAX20076E/MAX25276D系列迷你降壓轉(zhuǎn)換器憑借其高性能、低功耗、小尺寸和完善的保護(hù)功能，成為了汽車、工業(yè)等領(lǐng)域電源管理的理想選擇。在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇輸出電壓、電感、電容等元件，并嚴(yán)格遵循PCB布局指南，以充分發(fā)揮該系列產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。大家在實(shí)際使用過程中，是否也遇到過類似電源管理芯片的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。