探索MAX17509：全能型同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)中，尋找一款能滿(mǎn)足多方面需求的DC - DC轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)深入了解一下Maxim Integrated推出的MAX17509，這款4.5V - 16V、雙3A的高效同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，看看它究竟有哪些過(guò)人之處。

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一、核心特性與優(yōu)勢(shì)

靈活配置

MAX17509集成了兩個(gè)3A內(nèi)部開(kāi)關(guān)降壓穩(wěn)壓器，可配置為兩個(gè)獨(dú)立的3A單相機(jī)電源，或者一個(gè)雙相的6A單輸出電源。其輸出電壓范圍廣，可在0.904V至3.782V以及4.756V至5.048V之間獨(dú)立調(diào)節(jié)，系統(tǒng)精度達(dá)±2%，能適配多種不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

噪聲控制與EMI優(yōu)化

它具備多項(xiàng)降低噪聲和電磁干擾（EMI）的特性?？烧{(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率，并選擇0/180°相移，能進(jìn)行外部頻率同步，還能調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速率。而且，它通過(guò)了EN55022（CISPR22）B類(lèi)輻射和傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)，非常適合對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用，像FPGA中的高速多千兆位收發(fā)器、RF和音頻設(shè)備。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便

全部采用陶瓷電容解決方案，自動(dòng)配置內(nèi)部補(bǔ)償，無(wú)需復(fù)雜的補(bǔ)償參數(shù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了即插即用。同時(shí)，它提供打嗝或磚墻模式可供選擇，能調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)上升/下降時(shí)間，具備軟停止模式和預(yù)偏置啟動(dòng)功能，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

可靠運(yùn)行保障

擁有強(qiáng)大的故障保護(hù)機(jī)制，如輸入欠壓鎖定（VIN_UVLO）、輸出欠壓/過(guò)壓（UV/OV）、過(guò)流/欠流（UC/OC）和過(guò)溫（OT）保護(hù)，還有電源良好（Power Good）輸出信號(hào)，能實(shí)時(shí)反饋工作狀態(tài)。

二、電氣特性分析

輸入電源與內(nèi)部線性穩(wěn)壓器

輸入電源電壓（VIN_）范圍為4.5V至16V，內(nèi)部線性穩(wěn)壓器（VCC）可從高電壓輸入電源獲取偏置，為內(nèi)部MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器、模擬控制器、參考和邏輯塊等提供典型高達(dá)50mA的總電流。在不同輸入電壓下，VCC的輸出表現(xiàn)有所不同，當(dāng)輸入電壓高于5.5V時(shí)，推薦使用內(nèi)部穩(wěn)壓器；當(dāng)輸入電壓低于5.5V時(shí)，可將VIN1和VCC連接在一起，繞過(guò)內(nèi)部LDO以提高效率。

內(nèi)部芯片供電輸入電壓范圍（AVCC）

AVCC是內(nèi)部模擬電路的輸入，當(dāng)AVCC供電低于其欠壓鎖定閾值3.2V（典型值）時(shí)，開(kāi)關(guān)活動(dòng)將被禁止。只有當(dāng)AVCC上升到其欠壓鎖定上升閾值以上，且EN1和EN2使能降壓控制器后，控制器才會(huì)開(kāi)始開(kāi)關(guān)，輸出電壓通過(guò)軟啟動(dòng)逐漸上升。

配置引腳功能

通過(guò)7個(gè)配置引腳（MODE、SS[1,2]、COARSE[1,2]和FINE[1,2]）可對(duì)MAX17509進(jìn)行全面配置。這些引腳能響應(yīng)引腳綁定和電阻編程，可設(shè)置輸出模式、開(kāi)關(guān)頻率、相移、過(guò)流保護(hù)行為、軟啟動(dòng)/停止時(shí)間等多種參數(shù)。

三、工作模式與功能詳解

軟啟動(dòng)/軟停止和預(yù)偏置條件

軟啟動(dòng)可減少啟動(dòng)時(shí)的輸入浪涌電流，在軟啟動(dòng)開(kāi)始前，需滿(mǎn)足AVCC超過(guò)上升閾值、引腳配置讀取完成、輸入電壓超過(guò)欠壓鎖定閾值、EN_超過(guò)上升閾值以及設(shè)備溫度低于過(guò)溫關(guān)機(jī)閾值等條件。軟停止則能以可控方式釋放輸出電容中的剩余能量，不過(guò)僅適用于兩個(gè)獨(dú)立輸出配置。

開(kāi)關(guān)頻率、外部同步和相移

支持在輸入電源軌最高6V時(shí)選擇500kHz、1MHz、1.5MHz或2MHz的開(kāi)關(guān)頻率；當(dāng)電源軌大于6V時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率只能編程為1MHz。還可將兩個(gè)穩(wěn)壓器的PWM相對(duì)相移設(shè)置為同相（0°）或交錯(cuò)（180°異相），以降低輸入電流紋波和電壓紋波。此外，可通過(guò)將外部時(shí)鐘信號(hào)連接到SYNC引腳實(shí)現(xiàn)與外部時(shí)鐘同步。

單雙相模式

MODE引腳可將MAX17509配置為單相機(jī)獨(dú)立輸出或雙相單輸出調(diào)節(jié)器。在雙相模式下，兩個(gè)相以180°的PWM相對(duì)相移工作，共同提供高達(dá)6A的共享輸出電流。

輸出電壓設(shè)置與感應(yīng)

COARSE_和FINE引腳以20mV為步長(zhǎng)設(shè)置每個(gè)穩(wěn)壓器的輸出范圍，目標(biāo)輸出電壓由粗調(diào)電壓（COARSE）和偏移量（FINE_）相加得到。VOUT_用于感應(yīng)輸出電壓反饋，用于輸出電壓監(jiān)測(cè)和故障檢測(cè)。

電流保護(hù)與重試設(shè)置

電流保護(hù)電路可監(jiān)測(cè)輸出電流水平，防止過(guò)載和短路情況。SS1引腳可設(shè)置故障響應(yīng)選項(xiàng)，包括打嗝模式和磚墻及鎖斷模式。在打嗝模式下，發(fā)生故障后穩(wěn)壓器會(huì)立即關(guān)閉，在超時(shí)周期后嘗試軟啟動(dòng)；在磚墻及鎖斷模式下，電流保護(hù)設(shè)置為恒流模式，直到發(fā)生過(guò)流、欠壓、過(guò)壓、過(guò)溫或禁用事件，開(kāi)關(guān)活動(dòng)才會(huì)停止。

輸出過(guò)壓/欠壓保護(hù)

當(dāng)輸出電壓超過(guò)其標(biāo)稱(chēng)調(diào)節(jié)電壓的120%（典型值）或低于80%（典型值）時(shí)，輸出過(guò)壓保護(hù)（OVP）和輸出欠壓保護(hù)（UVP）電路會(huì)使穩(wěn)壓器關(guān)閉，后續(xù)響應(yīng)取決于重試設(shè)置。

過(guò)溫保護(hù)

當(dāng)結(jié)溫超過(guò) + 160°C（典型值）時(shí)，熱故障保護(hù)電路會(huì)激活，拉低PGOOD輸出并關(guān)閉兩個(gè)穩(wěn)壓器，直到結(jié)溫下降20°C（典型值）才允許重啟。

電源良好輸出（PGOOD_）

PGOOD_是窗口比較器的開(kāi)漏輸出，可指示輸出電壓的欠壓/過(guò)壓、穩(wěn)壓器電流的過(guò)流以及過(guò)溫等故障條件。在相應(yīng)通道完成軟啟動(dòng)且穩(wěn)壓器輸出電壓正常時(shí)，PGOOD_變?yōu)楦咦钁B(tài)；否則為低電平。

四、設(shè)計(jì)步驟與注意事項(xiàng)

輸入電壓范圍選擇

要考慮輸入電壓的最壞情況，盡量選擇較低的輸入電壓以提高效率。由于最大占空比為93%，VOUT被限制為0.93 x VIN。

輸入/輸出電容和電感選擇

輸入電容需滿(mǎn)足紋波電流要求，通常選擇陶瓷電容，一般10μF電容效果較好，同時(shí)在IN_和PGND_之間靠近器件處放置0.1μF電容。選擇電感時(shí)，要考慮電感值、飽和電流和直流電阻，MAX17509設(shè)計(jì)為與30%的峰 - 峰紋波電流與平均電流比（LIR = 0.3）配合最佳。輸出電容選擇要綜合考慮直流電壓額定值、穩(wěn)定性、瞬態(tài)響應(yīng)和輸出紋波電壓等因素，可結(jié)合低ESR聚合物電容和陶瓷電容使用。

環(huán)路補(bǔ)償與輸出紋波電壓控制

建議采用全陶瓷輸出電容解決方案，使輸出電容和ESR形成的零頻率在開(kāi)關(guān)頻率的一半或更高。對(duì)于輸出紋波電壓，聚合物電容的ESR主導(dǎo)輸出紋波電壓，陶瓷電容的電容值主導(dǎo)輸出紋波電壓，可根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的電容組合。

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)取決于輸出阻抗、負(fù)載階躍的幅度和轉(zhuǎn)換速率。在大而快速的負(fù)載瞬態(tài)應(yīng)用中，要考慮輸出電容的高頻響應(yīng)（ESL和ESR）。

功率耗散計(jì)算

要確保器件的結(jié)溫在工作條件下不超過(guò) + 125oC，可根據(jù)功率損耗公式和熱阻參數(shù)估算結(jié)溫。

PCB布局

精心的PCB布局對(duì)實(shí)現(xiàn)低開(kāi)關(guān)損耗和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。要使旁路電容盡量靠近引腳，高速開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離敏感模擬區(qū)域，合理連接配置引腳電阻，保持電源走線和負(fù)載連接較短，使用多個(gè)過(guò)孔連接內(nèi)部PGND_平面。

五、總結(jié)與思考

MAX17509以其豐富的功能、靈活的配置和可靠的性能，為電子工程師在設(shè)計(jì)電源解決方案時(shí)提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，合理選擇各項(xiàng)參數(shù)，精心進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和PCB布局。大家在使用MAX17509的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)一些特別的問(wèn)題或者獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。