MAX20037/MAX20038：汽車高電流降壓轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在汽車電子領(lǐng)域，對于高功率USB端口的需求日益增長，這就要求相關(guān)的轉(zhuǎn)換器具備高性能、高可靠性和高安全性。Maxim Integrated推出的MAX20037/MAX20038汽車高電流降壓轉(zhuǎn)換器，正好滿足了這些需求。今天，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

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產(chǎn)品概述

MAX20037/MAX20038將5V/3.5A汽車級降壓轉(zhuǎn)換器、USB主機(jī)充電器適配器仿真器和USB保護(hù)開關(guān)集成于一體。它有獨(dú)立/GPIO和I2C兩種配置和控制選項，適用于汽車收音機(jī)、導(dǎo)航、連接、USB集線器和專用充電等應(yīng)用。

產(chǎn)品特性

高集成度單芯片解決方案

它能直接從汽車電池為便攜式設(shè)備供電，輸入電壓范圍為4.5V至28V，能承受40V的負(fù)載突降，輸出電流能力達(dá)5V、3.5A。還具備設(shè)備連接檢測輸出、低Q電流跳過和關(guān)斷模式等功能。

低噪聲設(shè)計

采用固定頻率275kHz至2.2MHz運(yùn)行，有固定PWM選項，具備擴(kuò)頻功能以降低EMI，還有SYNC輸入/輸出用于頻率鎖定，有效防止對AM頻段和便攜式設(shè)備的干擾。

優(yōu)化的USB電源和通信

用戶可編程電壓增益可針對高達(dá)600mΩ的電纜電阻調(diào)整輸出，可編程USB電流限制，支持USB 480Mbps/12Mbps/1.5Mbps數(shù)據(jù)開關(guān)，集成了iPod/iPhone/iPad和三星充電檢測終端電阻，支持USB BC1.2 CDP和DCP模式，符合中國YD/T 1591 - 2009標(biāo)準(zhǔn)，兼容USB On - the - Go規(guī)范。

穩(wěn)健設(shè)計

具備對DC - DC轉(zhuǎn)換器引腳的短路到電池保護(hù)、USB引腳的短路到VBUS（MAX20037）和短路到電池（MAX20038）保護(hù)，±15kV空氣/±8kV接觸的ESD保護(hù)（ISO 10605和IEC 61000 - 4 - 2），軟啟動可降低浪涌電流，還有過溫保護(hù)，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C。

電氣特性

電源和使能

電源電壓范圍為4.5V至28V，負(fù)載突降事件時電源電壓范圍可達(dá)40V。不同工作模式下的電源電流有所不同，如無負(fù)載跳過模式為2.3mA，無負(fù)載FPWM模式為32mA等。

USB開關(guān)

模擬信號范圍為0至3.6V，保護(hù)跳閘閾值為3.65至4.1V，保護(hù)響應(yīng)時間為3μs等。不同型號（MAX20037和MAX20038）在導(dǎo)通電阻、泄漏電流等參數(shù)上有所差異。

電流檢測放大器

反饋調(diào)整增益、輸出電壓精度、過流閾值等都有明確的參數(shù)范圍，可根據(jù)ILIM[2:0]的不同設(shè)置來調(diào)整過流閾值。

其他特性

如同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的PWM輸出電壓、負(fù)載調(diào)節(jié)、擴(kuò)頻范圍等，振蕩器的內(nèi)部振蕩頻率、降壓振蕩器頻率等，ADC的分辨率、偏移誤差和增益誤差等。

引腳配置與功能

MAX20037/MAX20038采用28引腳TQFN或SWTQFN封裝，各引腳功能明確。例如，AGND為模擬地，HVD - 和HVD + 為受保護(hù)的USB差分?jǐn)?shù)據(jù)輸出，SHIELD為USB captive - cable屏蔽輸入等。每個引腳都在整個系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，合理的引腳布局和連接對于產(chǎn)品的性能至關(guān)重要。

工作原理與模式

上電和使能

• 系統(tǒng)使能（HVEN）：作為設(shè)備的主要使能信號，啟動系統(tǒng)啟動和配置。當(dāng)HVEN為低電平時，若系統(tǒng)未配置為保持操作，SUPSW功耗降低，設(shè)備進(jìn)入待機(jī)低靜態(tài)電流狀態(tài)。
• DC - DC使能（ENBUCK）：對于獨(dú)立變體，由ENBUCK引腳控制降壓調(diào)節(jié)器；對于I2C變體，由ENBUCK引腳和I2C接口共同控制。
• 3.3V輸入（IN）：用于在HVD + 和HVD - 引腳發(fā)生ESD和短路到總線/電池事件時鉗位D + 和D - 引腳，保護(hù)下游USB收發(fā)器。
• 線性調(diào)節(jié)器輸出（BIAS和DRV）：BIAS是5V線性調(diào)節(jié)器的輸出，為設(shè)備的內(nèi)部邏輯和控制電路供電；DRV為DC - DC轉(zhuǎn)換器的高低側(cè)MOSFET驅(qū)動器供電。

降壓DC - DC調(diào)節(jié)器

• 降壓調(diào)節(jié)器：采用電流模式降壓轉(zhuǎn)換器，集成高低側(cè)MOSFET，輕載時低側(cè)MOSFET可實(shí)現(xiàn)固定頻率、強(qiáng)制PWM（FPWM）操作。輸入電壓范圍為4.5V至28V，無負(fù)載時僅消耗4μA（典型值）。
• 寬輸入電壓范圍：能適應(yīng)4.5V至28V的寬輸入電壓范圍，在冷啟動等情況下可工作在高占空比模式，減少輸入到輸出的壓降。
• 最大占空比操作：最大占空比為98%（典型值），通過監(jiān)測低側(cè)FET的關(guān)斷時間來調(diào)整工作狀態(tài)。
• 輸出電壓：通過連接到SENSP的精密內(nèi)部反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)置DC - DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，默認(rèn)輸出電壓為5.1V。
• 軟啟動：DC - DC轉(zhuǎn)換器啟用時，輸出電壓在約4ms內(nèi)從0逐漸升至5.15V，減少啟動時的浪涌電流。
• 復(fù)位行為：當(dāng)DC - DC轉(zhuǎn)換器因任何原因禁用時（除SENSN過壓情況），會在SENSN上執(zhí)行放電功能，并啟動復(fù)位定時器。

開關(guān)頻率配置與同步

• 配置方式：DC - DC開關(guān)頻率可由內(nèi)部振蕩器或SYNC引腳的外部時鐘配置，SYNC引腳可配置為輸入或輸出。內(nèi)部振蕩器頻率由SETUP_2寄存器的FSW[2:0]位設(shè)置，有8個離散值可供選擇，范圍從275kHz到2.2MHz。
• 同步功能：當(dāng)SYNC配置為輸出時，禁止跳過模式操作，內(nèi)部振蕩器頻率從SYNC引腳輸出，可使其他設(shè)備與MAX20037/MAX20038同步；當(dāng)SYNC配置為輸入時，可用于操作模式選擇和頻率控制。

強(qiáng)制PWM（FPWM）操作

在FPWM模式下，設(shè)備在所有負(fù)載條件（包括無負(fù)載條件）下保持固定頻率PWM操作。

智能跳過模式操作和設(shè)備連接檢測

當(dāng)SYNC引腳配置為輸入且無時鐘信號或高電平信號時，設(shè)備在輕載/無負(fù)載條件下進(jìn)入跳過模式。當(dāng)檢測到設(shè)備連接到USB端口時，設(shè)備智能退出跳過模式并進(jìn)入FPWM模式，同時通過ATTACH引腳或ATTACH位發(fā)出設(shè)備連接事件信號。

擴(kuò)頻選項

通過SETUP_1寄存器的SS_EN位啟用擴(kuò)頻操作，內(nèi)部工作頻率相對于內(nèi)部生成的工作頻率調(diào)制±3.25%，總擴(kuò)頻范圍為6.5%，僅在使用內(nèi)部振蕩器時有效。

電流限制

通過DC - DC轉(zhuǎn)換器的固定內(nèi)部峰值電流閾值和用戶可編程的外部DC負(fù)載電流檢測放大器閾值來限制USB負(fù)載電流，可根據(jù)應(yīng)用需求將電流限制調(diào)整在300mA至3A之間。

輸出短路保護(hù)

DC - DC轉(zhuǎn)換器輸出（SENSP，SENSN）對短路到地和短路到電池的情況都有保護(hù)。遇到短路到地或欠壓情況時，轉(zhuǎn)換器立即復(fù)位；遇到短路到電池情況時，設(shè)備停止開關(guān)操作。

熱過載保護(hù)

熱過載保護(hù)可限制設(shè)備的總功耗，當(dāng)芯片溫度超過 + 175°C時，設(shè)備關(guān)閉；溫度下降15°C后重新啟用。I2C變體還有預(yù)熱過載警告功能，當(dāng)芯片溫度超過 + 145°C時，設(shè)置ERROR_1寄存器的T_WARN位。

保持模式

啟用保持模式時，設(shè)備在內(nèi)部定時器期間保留附件電源。定時器從HVEN變低且保持模式啟用時開始，定時器到期后，設(shè)備進(jìn)入低Q關(guān)斷模式。

USB電流限制和輸出電壓調(diào)整

• 電流檢測放大器：內(nèi)部USB負(fù)載電流檢測放大器通過檢測VSENSP - VSENSN的電壓來監(jiān)測USB端口的DC負(fù)載電流，提供精確的DC電流限制和電壓補(bǔ)償功能。
• USB DC電流限制配置：I2C變體可通過SETUP_4寄存器的ILIM[2:0]位配置精確的DC電流限制；獨(dú)立變體可通過CONFIG3電阻選擇部分電流限制選項。
• 電壓反饋調(diào)整配置：可對典型USB充電應(yīng)用中高達(dá)600mΩ的USB電纜進(jìn)行電壓降補(bǔ)償。I2C變體通過SETUP_2寄存器的GAIN[4:0]位配置；獨(dú)立變體通過CONFIG2和CONFIG3電阻配置。

USB保護(hù)開關(guān)和主機(jī)充電器適配器仿真

• HVD + 和HVD - 保護(hù)：為高集成度多媒體處理器的低電壓內(nèi)部USB數(shù)據(jù)線提供汽車級ESD和短路保護(hù)。MAX20037需要外部ESD二極管，而MAX20038不需要。
• USB主機(jī)適配器仿真：集成了最新的USB - IF電池充電規(guī)范修訂版1.2 CDP和DCP電路，以及適用于蘋果兼容設(shè)備的1.0A和2.4A電阻偏置選項，還提供了與舊版三星Galaxy 1.2V分壓器和中國YD/T 1591 - 2009的兼容性。
• HVD + 和HVD - 操作模式：有四種離散操作模式，I2C變體通過SETUP_3寄存器的CD[1:0]位選擇；獨(dú)立變體通過CDP/DCP引腳選擇。

控制和診斷

• I2C配置：I2C變體可通過靠近地的CONFIG1引腳的電阻進(jìn)行基本設(shè)備配置，啟動時將配置參數(shù)加載到相應(yīng)的I2C寄存器中。
• 獨(dú)立配置：獨(dú)立變體通過三個CONFIG引腳和地之間的電阻進(jìn)行全設(shè)備配置，CONFIG1設(shè)置內(nèi)部振蕩器開關(guān)頻率、SYNC引腳方向和DC - DC擴(kuò)頻模式；CONFIG2設(shè)置電壓增益配置GAIN[3:0]的四個LSB；CONFIG3設(shè)置USB DC電流限制、啟用/禁用保持模式功能并設(shè)置電壓增益配置GAIN[4]的MSB。
• 故障檢測和I2C診斷：具備先進(jìn)的設(shè)備保護(hù)功能，自動處理和恢復(fù)故障。I2C變體的ERROR_1/ERROR_2寄存器提供故障源的詳細(xì)信息，IRQMASK_0/IRQMASK_1寄存器可選擇I2C中斷引腳（INT）的斷言標(biāo)準(zhǔn)。
• 故障輸出引腳（FAULT）：為開漏、低電平有效輸出，采用內(nèi)部消毛刺和故障消隱定時器，避免誤報故障，可直接連接到集線器控制器或SoC的過流故障輸入。
• 連接輸出引腳（ATTACH）：對于獨(dú)立變體，作為連接檢測引腳；對于I2C變體，作為中斷引腳。
• I2C診斷和事件處理：I2C變體的基于I2C的診斷功能獨(dú)立于FAULT引腳，IRQMASK寄存器功能僅影響INT引腳與相應(yīng)ERROR寄存器位的行為。
• I2C輸出電壓和電流測量：I2C變體可測量瞬時SENSP電壓和DC輸出電流，通過設(shè)置SETUP_4寄存器的IV_READ位啟動測量，測量完成后可從USB_V和USB_I寄存器讀取結(jié)果。
• I2C接口規(guī)范：采用I2C 2線串行接口，由SDA和SCL線組成，時鐘速率最高可達(dá)400kHz。主設(shè)備通過發(fā)送正確的地址和數(shù)據(jù)字與設(shè)備通信，每個傳輸序列由START或Repeated START條件和STOP條件框定。

應(yīng)用信息

DC - DC開關(guān)頻率配置和同步

I2C變體可通過SETUP_2寄存器進(jìn)行數(shù)字編程開關(guān)頻率；獨(dú)立版本可通過CONFIG1電阻選擇頻率。設(shè)備可通過SYNC引腳與其他設(shè)備同步，也可將SYNC引腳配置為輸出內(nèi)部時鐘。選擇開關(guān)頻率時需考慮效率、組件選擇、熱性能和EMI等因素，不建議在500kHz至1.8MHz之間操作以避免AM頻段干擾。

DC - DC輸入電容選擇

輸入電容可降低從上游電源吸取的峰值電流，其RMS電流要求由公式 (I{RMS }=I{LOAD(MAX) } frac{sqrt{V{SENSP }left(V{SUPSW }-V{SENSP }right)}}{V{SUPPSW }}) 定義，選擇時應(yīng)確保在RMS電流下自熱溫度上升小于10°C。輸入電壓紋波可通過相關(guān)公式估算，建議使用低ESR陶瓷電容。

DC - DC輸出電容選擇

最小所需輸出電容取決于最大工作輸出電壓、最大設(shè)備電流能力和誤差放大器電壓增益。為確保穩(wěn)定性和符合USB和蘋果規(guī)范，應(yīng)遵循推薦的輸出濾波器，根據(jù)不同的開關(guān)頻率選擇合適的電容組合。

DC - DC電感選擇

選擇電感時需考慮電感值（L）、飽和電流（ISAT）和直流電阻（RDCR）?？上冗x擇電感峰 - 峰交流電流與直流平均電流的比率（LIR），一般選擇35%的LIR作為折衷方案，再根據(jù)公式 (L=frac{V{SENSP } timesleft(V{SUPSW }-V{SENSP }right)}{V{SUPSW } × f{SW } × I{OUT } × LIR }) 確定電感值。同時要確保電感的ISAT在所有工作條件下都遠(yuǎn)高于降壓轉(zhuǎn)換器的逐周期峰值電流限制。

布局考慮

合理的PCB布局對系統(tǒng)性能至關(guān)重要。應(yīng)盡量減小DC - DC轉(zhuǎn)換電路的電流環(huán)路面積和寄生參數(shù)以降低EMI，將輸入電容、功率電感和輸出電容盡可能靠近IC放置，優(yōu)先選擇較短的走線。輸入和輸出電容之間需要低阻抗接地連接，將暴露焊盤連接到地，并在焊盤上放置多個過孔以連接到其他接地層。USB走線應(yīng)作為90Ω差分對布線，避免靠近時鐘和高頻開關(guān)節(jié)點(diǎn)，盡量減少走線長度、90°轉(zhuǎn)彎、過多過孔和RF短截線。

確定USB系統(tǒng)要求

需要從電纜制造商處確定USB電源線（BUS）和返回地（GND）的標(biāo)稱電纜電阻（含公差），并考慮溫度對電阻的影響。典型應(yīng)用中，當(dāng)負(fù)載電流為2A時， captive電纜遠(yuǎn)端的電壓降為800mV，此時需要IC的電壓調(diào)整電路增加輸出電壓以符合USB和蘋果規(guī)范。

USB負(fù)載

該IC兼容USB合規(guī)和非合規(guī)負(fù)載。合規(guī)USB設(shè)備初始連接到端口時，吸收電流不超過30mA，電容不超過10μF；完成連接過程后，可拉取100mA/150mA電流，電容不超過10μF。對于非合規(guī)USB負(fù)載，IC也能支持熱插入和軟啟動到2Ω||330μF的USB負(fù)載。

USB輸出電流限制

通過內(nèi)部電流檢測放大器監(jiān)測RSENSE兩端的電壓來監(jiān)控USB負(fù)載電流，IC提供數(shù)字可調(diào)的USB電流限制閾值，可根據(jù)需要選擇合適的寄存器或電阻值。

USB電壓調(diào)整

DC - DC輸出電壓隨RSENSE兩端電壓的增加而線性增加，增益由GAIN[4:0]寄存器值決定。理想的增益位權(quán)重可通過公式 (GAIN =R{CABLE }+RSENSE +R{PCB}+R_{LR}) 計算，選擇最接近理想增益的寄存器設(shè)置。當(dāng)VSENSE超過閾值時，設(shè)備有最大允許電壓調(diào)整量，超過該閾值后，輸出電壓將根據(jù)負(fù)載調(diào)節(jié)規(guī)范下降。

選擇電流檢測電阻

外部電流檢測電阻（RSENSE）對于精確的電流限制、電壓調(diào)整、連接檢測和ADC測量至關(guān)重要。建議使用精確值為33mΩ的電阻，因為改變該值會影響電流限制閾值、電壓調(diào)整補(bǔ)償和連接閾值，需要相應(yīng)調(diào)整寄存器和電阻表中的規(guī)格。

遠(yuǎn)程電纜感應(yīng)（屏蔽功能）

IC能夠根據(jù)電纜電阻自動設(shè)置所需的電壓調(diào)整，可通過將電纜屏蔽連接到遠(yuǎn)程地，再連接到IC的SHIELD引腳，或使用額外的SENSE線連接到遠(yuǎn)程地來實(shí)現(xiàn)。使用屏蔽功能時，需要通過GAIN[4:0]寄存器設(shè)置額外的電壓調(diào)整，理想的GAIN位權(quán)重應(yīng)補(bǔ)償降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載調(diào)節(jié)、PCB電阻以及電纜VBUS和GND電阻的差異。SHIELD引腳信號需要進(jìn)行帶寬限制，若需要超過絕對最大額定值的過壓保護(hù)，應(yīng)使用外部鉗位。

調(diào)諧USB數(shù)據(jù)線

USB HS模式需要精心的PCB布局，采用90Ω受控差分阻抗匹配的等長走線，無短截線或測試點(diǎn)。對于低電壓、高帶寬的MAX20037變體，調(diào)諧組件可能不是必需的；但對于高電壓的MAX20038變體，建議在PCB設(shè)計中包含允許安裝LC組件的焊盤，以便后續(xù)進(jìn)行調(diào)諧。調(diào)諧組件應(yīng)盡可能靠近設(shè)備的數(shù)據(jù)引腳，放置在與設(shè)備同一層的PCB上。

USB數(shù)據(jù)線共模扼流圈放置

大多數(shù)汽車應(yīng)用使用USB優(yōu)化的共模扼流圈來減輕進(jìn)出模塊的EMI信號，最佳放置位置是模塊的USB連接器處，但它不能替代前面提到的調(diào)諧電感。

ESD保護(hù)

高電壓的MAX20038變體不需要外部ESD保護(hù)，而低電壓的MAX20037變體需要外部ESD保護(hù)二極管。所有Maxim設(shè)備都集成了ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，能在ESD事件后繼續(xù)正常工作，避免閂鎖。在典型工作電路配置下，IC的ESD保護(hù)能力可達(dá)±15kV ISO 10605空氣間隙、±8kV ISO