探索MAX17521：60V、1A雙輸出高效同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器

在電子設(shè)計(jì)的世界里，選擇合適的DC - DC轉(zhuǎn)換器對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源供應(yīng)至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一款性能出色的產(chǎn)品——MAX17521雙輸出同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器。

文件下載：MAX17521.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX17521是一款工作在4.5V至60V輸入電壓范圍的雙輸出同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，每個(gè)輸出能夠提供高達(dá)1A的負(fù)載電流。其反饋電壓調(diào)節(jié)精度在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內(nèi)達(dá)到±1.7%，這意味著在不同的負(fù)載、線路和溫度條件下，它都能保持出色的電壓穩(wěn)定性。該產(chǎn)品采用峰值電流模式控制方案，每個(gè)輸出可以在脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制模式下運(yùn)行，并且提供了24引腳（4mm x 5mm）的TQFN封裝，還配備了仿真模型，方便工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

二、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢(shì)

（一）減少外部組件和總成本

• 無肖特基同步操作：這種設(shè)計(jì)避免了使用肖特基二極管，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低了成本。
• 全陶瓷電容，緊湊布局：全陶瓷電容的使用不僅減小了電路板的尺寸，還提高了電路的穩(wěn)定性和可靠性。

（二）減少庫存的DC - DC調(diào)節(jié)器數(shù)量

• 寬輸入電壓范圍：4.5V至60V的寬輸入范圍使得該轉(zhuǎn)換器能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，減少了對(duì)不同輸入電壓調(diào)節(jié)器的需求。
• 可調(diào)節(jié)輸出電壓：每個(gè)輸出電壓可以在0.9V至92%VIN的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足了不同負(fù)載對(duì)電壓的要求。
• 引腳可選的開關(guān)頻率：通過引腳可以選擇560kHz或300kHz的開關(guān)頻率，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行靈活配置。
• 獨(dú)立的輸入電壓引腳：每個(gè)輸出都有獨(dú)立的輸入電壓引腳，提高了設(shè)計(jì)的靈活性。

（三）降低功耗

• 高峰值效率：峰值效率超過90%，能夠有效降低能量損耗，提高電源的轉(zhuǎn)換效率。
• PFM模式提高輕載效率：在輕載情況下，PFM模式可以進(jìn)一步降低功耗，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。
• 低關(guān)機(jī)電流：僅1μA的關(guān)機(jī)電流，在設(shè)備不工作時(shí)能夠節(jié)省大量的電能。

（四）在惡劣工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行

• 打嗝模式過載保護(hù)：當(dāng)出現(xiàn)過載或短路情況時(shí)，打嗝模式可以有效保護(hù)設(shè)備，減少功率損耗。
• 可調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)引腳：每個(gè)輸出都有可調(diào)節(jié)的軟啟動(dòng)引腳，能夠減少啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流，保護(hù)設(shè)備和負(fù)載。
• 內(nèi)置輸出電壓監(jiān)控和復(fù)位功能：可以實(shí)時(shí)監(jiān)控輸出電壓，并在電壓異常時(shí)及時(shí)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 可調(diào)節(jié)的使能/欠壓鎖定閾值：根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可以靈活設(shè)置使能和欠壓鎖定的閾值。
• 單調(diào)啟動(dòng)到預(yù)偏置負(fù)載：在預(yù)偏置負(fù)載的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的啟動(dòng)過程。
• 過溫保護(hù)：當(dāng)芯片溫度超過165°C時(shí)，過溫保護(hù)功能會(huì)自動(dòng)關(guān)閉芯片，防止芯片損壞。
• 寬工作溫度范圍： - 40°C至 + 125°C的環(huán)境工作溫度范圍和 - 40°C至 + 150°C的結(jié)溫范圍，使得該產(chǎn)品能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。

三、電氣特性

MAX17521的電氣特性涵蓋了輸入電源、使能/欠壓鎖定、頻率選擇、模式選擇、LDO、功率MOSFET等多個(gè)方面。下面我們來重點(diǎn)關(guān)注一些關(guān)鍵參數(shù)：

（一）輸入電源

• 輸入電壓范圍：4.5V至60V，能夠適應(yīng)多種不同的電源輸入。
• 輸入關(guān)機(jī)電流：在關(guān)機(jī)模式下，輸入電流僅為1μA至3.5μA，功耗極低。
• 輸入開關(guān)電流：在不同的模式和頻率選擇下，輸入開關(guān)電流有所不同，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。

（二）輸出電壓

輸出電壓范圍可以根據(jù)頻率選擇引腳（FSEL）的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，在無負(fù)載情況下，VFSEL > 2V時(shí)，輸出電壓范圍為0.92V至0.92VIN；VFSEL < 0.8V時(shí)，輸出電壓范圍為0.92V至0.96VIN。

（三）開關(guān)頻率

開關(guān)頻率可以通過FSEL引腳進(jìn)行選擇，當(dāng)FSEL懸空時(shí)，開關(guān)頻率為560kHz；當(dāng)FSEL接地時(shí)，開關(guān)頻率為300kHz。此外，還可以通過SYNC引腳將內(nèi)部振蕩器同步到外部時(shí)鐘信號(hào)，外部同步時(shí)鐘頻率必須在1.1 x fSW至1.4 x fSW之間。

四、典型應(yīng)用電路與特性曲線

文檔中提供了MAX17521的典型應(yīng)用電路，通過該電路可以直觀地了解如何使用該轉(zhuǎn)換器。同時(shí)，還給出了一系列典型的工作特性曲線，包括整體效率與輸入電壓、效率與負(fù)載電流、輸出電壓的負(fù)載調(diào)節(jié)和線性調(diào)節(jié)等。這些曲線可以幫助工程師更好地了解該產(chǎn)品在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，從而進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

五、引腳配置與功能

MAX17521共有24個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能。下面我們來簡(jiǎn)要介紹一些關(guān)鍵引腳：

（一）電源相關(guān)引腳

• VIN1和VIN2：分別為兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的電源輸入引腳，輸入電壓范圍為4.5V至60V，需要使用2.2μF的電容進(jìn)行去耦。
• PGND1和PGND2：分別為兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的功率接地引腳，需要連接到電源接地平面。
• VCC1和VCC2：分別為兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的5V LDO輸出引腳，需要使用1μF的陶瓷電容進(jìn)行旁路。

（二）控制相關(guān)引腳

• EN/UVLO1和EN/UVLO2：分別為兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的使能/欠壓鎖定輸入引腳，通過拉高該引腳可以使能相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器。
• MODE1和MODE2：分別為兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的模式選擇引腳，可以選擇PWM或PFM模式。
• FSEL：開關(guān)頻率選擇引腳，通過該引腳可以選擇560kHz或300kHz的開關(guān)頻率。
• SS1和SS2：分別為兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的軟啟動(dòng)輸入引腳，通過連接電容到SGND可以設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間。
• FB1和FB2：分別為兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的反饋輸入引腳，用于調(diào)節(jié)輸出電壓。
• RESET1和RESET2：分別為兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的復(fù)位輸出引腳，用于監(jiān)控輸出電壓。

六、詳細(xì)工作原理

（一）控制方案

MAX17521采用峰值電流模式控制方案。對(duì)于每個(gè)輸出，內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器會(huì)生成一個(gè)積分誤差電壓，該誤差電壓通過PWM比較器、高端電流檢測(cè)放大器和斜率補(bǔ)償發(fā)生器來設(shè)置占空比。在時(shí)鐘的每個(gè)上升沿，高端pMOSFET導(dǎo)通，直到達(dá)到合適的或最大占空比，或者檢測(cè)到峰值電流限制為止。

（二）開關(guān)周期

在高端MOSFET導(dǎo)通期間，電感電流上升；在開關(guān)周期的后半部分，高端MOSFET關(guān)斷，低端nMOSFET導(dǎo)通，直到下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來或檢測(cè)到灌電流限制為止。此時(shí)，電感釋放存儲(chǔ)的能量，電流下降，并為輸出提供電流。內(nèi)部低RDSON的pMOS/nMOS開關(guān)確保了滿載時(shí)的高效率。

（三）模式選擇

該產(chǎn)品提供了PWM和PFM兩種工作模式。PWM模式在所有負(fù)載下提供恒定的開關(guān)頻率，適用于對(duì)開關(guān)頻率敏感的應(yīng)用；PFM模式在輕載時(shí)可以跳過脈沖，提高效率，但輸出電壓紋波較大，開關(guān)頻率也不恒定。

七、保護(hù)功能

（一）過流保護(hù)

• 逐周期峰值電流限制：當(dāng)高端開關(guān)電流超過內(nèi)部限制（典型值為1.6A）時(shí)，逐周期峰值電流限制會(huì)關(guān)閉高端MOSFET。
• 失控電流限制：當(dāng)高端開關(guān)電流達(dá)到1.85A（典型值）時(shí)，失控電流限制會(huì)觸發(fā)打嗝模式，保護(hù)設(shè)備在高輸入電壓、短路等情況下的安全。

（二）打嗝模式

當(dāng)輸出電壓在軟啟動(dòng)完成后下降到其標(biāo)稱值的70%（典型值）時(shí)，打嗝模式會(huì)被觸發(fā)。在打嗝模式下，轉(zhuǎn)換器會(huì)暫停開關(guān)操作4096個(gè)時(shí)鐘周期，然后再次嘗試軟啟動(dòng)，以減少過載故障條件下的功率損耗。

（三）復(fù)位輸出

該產(chǎn)品包含兩個(gè)復(fù)位比較器，用于監(jiān)控輸出電壓。復(fù)位輸出為開漏輸出，需要外部上拉電阻。當(dāng)輸出電壓下降到標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的92.5%以下時(shí)，復(fù)位信號(hào)變低；當(dāng)輸出電壓上升到標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的95.5%以上時(shí)，復(fù)位信號(hào)在1024個(gè)開關(guān)周期后變高。

（四）熱過載保護(hù)

當(dāng)芯片的結(jié)溫超過 + 165°C時(shí)，片上熱傳感器會(huì)關(guān)閉設(shè)備，使其冷卻。當(dāng)結(jié)溫下降10°C后，熱傳感器會(huì)再次開啟設(shè)備。在熱關(guān)斷期間，軟啟動(dòng)會(huì)復(fù)位。

八、應(yīng)用信息

（一）元件選擇

• 輸入電容：輸入電容的選擇需要考慮其RMS電流要求，計(jì)算公式為 (I{RMS }=I{OUT(MAX) } × frac{sqrt{V{OUT } timesleft(V{IN }-V{OUT }right)}}{V{IN }})。在選擇電容時(shí)，應(yīng)選擇能夠承受最大RMS電流且溫度上升小于 + 10°C的電容，以確保長(zhǎng)期可靠性。
• 電感：電感的選擇需要考慮電感值、飽和電流和直流電阻。電感值可以根據(jù)公式 (L=frac{2.2 × V{OUT }}{f{SW}}) 進(jìn)行計(jì)算，飽和電流應(yīng)高于峰值電流限制值（1.85A）。
• 輸出電容：在工業(yè)應(yīng)用中，建議使用X7R陶瓷輸出電容，其電容值可以根據(jù)公式 (C{OUT }=frac{1}{2} × frac{I{STEP } × t{RESPONSE }}{Delta V{OUT }}) 進(jìn)行計(jì)算，其中 (t{RESPONSE } congleft(frac{0.33}{f{C}}+frac{1}{f_{sw}}right))。
• 軟啟動(dòng)電容：軟啟動(dòng)電容的選擇需要根據(jù)輸出電容和輸出電壓來確定，計(jì)算公式為 (C{SS} geq 56 × 10^{-6} × C{SEL} × V{OUT })，軟啟動(dòng)時(shí)間與電容的關(guān)系為 (t{S S} geq frac{C_{S S}}{5.55 × 10^{-6}})。

（二）PCB布局

PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。在布局時(shí)，應(yīng)確保所有承載脈沖電流的連接盡可能短且寬，以減小環(huán)路面積，降低雜散電感和輻射EMI。同時(shí)，應(yīng)將陶瓷輸入濾波電容靠近VIN引腳，VCC引腳的旁路電容靠近VCC引腳，外部補(bǔ)償組件靠近IC并遠(yuǎn)離電感，反饋?zhàn)呔€應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電感。此外，模擬小信號(hào)地和開關(guān)電流的功率地應(yīng)分開，并在VCC旁路電容的返回端連接在一起，接地平面應(yīng)盡可能保持連續(xù)。

九、總結(jié)

MAX17521是一款功能強(qiáng)大、性能出色的雙輸出同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，具有寬輸入電壓范圍、高效、可靠等優(yōu)點(diǎn)。它適用于工業(yè)控制電源、CPU、DSP或FPGA電源、分布式電源調(diào)節(jié)等多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇元件和進(jìn)行PCB布局，以充分發(fā)揮該產(chǎn)品的性能優(yōu)勢(shì)。希望通過本文的介紹，能夠幫助大家更好地了解和使用MAX17521。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。