深入解析MAX16932/MAX16933：高性能雙降壓控制器的卓越之選

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來深入探討一款備受關(guān)注的電源管理芯片——MAX16932/MAX16933，它是一款2.2MHz、36V的雙降壓控制器，具有20μA的低靜態(tài)電流，在汽車等應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色。

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一、產(chǎn)品概述

MAX16932/MAX16933集成了兩個高壓同步降壓控制器，在無負(fù)載時僅消耗20μA的靜態(tài)電流。其輸入電壓范圍為3.5V至42V，能在95%占空比的降壓條件下工作，非常適合中高功率需求且需要兩個獨(dú)立控制輸出電源的應(yīng)用，如汽車應(yīng)用。

這兩款控制器采用180°異相工作模式，可有效降低輸入紋波。同時，它們支持高達(dá)2.2MHz的開關(guān)頻率，允許使用小型外部組件，且能確保不會對AM頻段產(chǎn)生干擾。此外，F(xiàn)SYNC輸入可編程，提供三種頻率模式：強(qiáng)制固定頻率操作、超低靜態(tài)電流（20μA）的跳頻模式以及與外部時鐘同步。還具備擴(kuò)頻選項，可最大程度減少EMI干擾，以及電源正常監(jiān)控、過壓和欠壓鎖定等功能，保護(hù)特性包括逐周期電流限制和熱關(guān)斷。

二、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢

低功耗設(shè)計

在跳頻模式下，靜態(tài)電流僅為20μA，輸出電壓精度達(dá)到±1%，固定輸出電壓為5.0V/3.3V，也可在1V至10V之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足了嚴(yán)格的OEM模塊功耗和性能規(guī)格要求。

寬輸入電壓范圍

輸入電源范圍為3.5V至36V，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的電源環(huán)境，實現(xiàn)“啟動就緒”設(shè)計。

EMI降低特性

50ns（典型值）的最小導(dǎo)通時間保證了在2.2MHz下從汽車電池輸出3.3V時的無跳頻操作，同時具備擴(kuò)頻選項、頻率同步輸入以及可通過電阻編程的200kHz至2.2MHz頻率，在不犧牲寬輸入電壓范圍的前提下，有效減少了對敏感無線電頻段的干擾。

集成與散熱優(yōu)化

采用雙2MHz降壓控制器，180°異相工作，電流模式控制器支持強(qiáng)制連續(xù)和跳頻模式，28引腳TQFN - EP封裝具有良好的散熱性能，節(jié)省了電路板空間和成本。

完善的保護(hù)功能

具備電源過壓和欠壓鎖定、過溫和短路保護(hù)等功能，顯著提高了系統(tǒng)的可靠性。

三、電氣特性分析

絕對最大額定值

詳細(xì)規(guī)定了各個引腳的電壓范圍、連續(xù)功率耗散、工作溫度范圍、結(jié)溫范圍、存儲溫度范圍以及焊接溫度等參數(shù)，確保在使用過程中不會因超出額定值而對器件造成損壞。

電氣參數(shù)

包括同步降壓DC - DC控制器的電源電壓范圍、輸出過壓閾值、電源電流、固定輸出電壓、輸出電壓可調(diào)范圍等，以及FSYNC輸入的頻率范圍、開關(guān)閾值，CS電流限制電壓閾值、跳頻模式閾值、軟啟動斜坡時間、Buck1和Buck2之間的相移等參數(shù)，為工程師在設(shè)計電路時提供了精確的參考。

四、典型工作特性

通過一系列圖表展示了該芯片在不同條件下的工作特性，如空載啟動序列、靜態(tài)電流與溫度的關(guān)系、滿載啟動序列、效率與負(fù)載電流的關(guān)系、開關(guān)頻率與RFOSC的關(guān)系、開關(guān)頻率與溫度的關(guān)系、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、外部同步轉(zhuǎn)換、輸入電壓緩慢上升、負(fù)載突降、輸出過壓響應(yīng)、短路響應(yīng)、輸出電壓與溫度的關(guān)系、負(fù)載調(diào)節(jié)等，幫助工程師更好地了解芯片的性能和工作狀態(tài)。

五、引腳配置與功能

引腳配置

MAX16932/MAX16933采用28引腳TQFN - EP封裝，各個引腳都有明確的功能，如LX1和LX2用于連接電感，DL1和DL2為低側(cè)柵極驅(qū)動輸出，PGND1和PGND2為電源地，CS1和CS2為正電流檢測輸入，OUT1和OUT2為輸出檢測和負(fù)電流檢測輸入，F(xiàn)B1和FB2為反饋輸入，COMP1和COMP2為誤差放大器輸出，BIAS為5V內(nèi)部線性穩(wěn)壓器輸出，AGND為信號地等。

引腳功能詳細(xì)說明

每個引腳的功能都與芯片的整體性能密切相關(guān)，例如，通過將FB1和FB2連接到BIAS可實現(xiàn)固定輸出電壓，連接到電阻分壓器則可調(diào)節(jié)輸出電壓；PGOOD1和PGOOD2用于監(jiān)測輸出電壓是否正常，當(dāng)輸出電壓偏離正常調(diào)節(jié)點超過15%（典型值）時，相應(yīng)的PGOOD引腳會拉低；FSYNC用于外部時鐘同步，可使芯片與外部時鐘信號同步工作。

六、詳細(xì)工作原理與設(shè)計要點

固定5V線性穩(wěn)壓器（BIAS）

芯片內(nèi)部的5V線性穩(wěn)壓器為內(nèi)部電路和外部負(fù)載提供電源，需要用6.8μF或更大的陶瓷電容進(jìn)行旁路，以確保在滿載條件下的穩(wěn)定性。同時，可通過將外部電源（3V至5.2V）或其中一個降壓轉(zhuǎn)換器的輸出連接到EXTVCC來旁路內(nèi)部線性穩(wěn)壓器，降低內(nèi)部功耗，提高輕載效率。

欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)5V偏置電源（BIAS）低于2.9V（典型值）的欠壓鎖定下降閾值時，BIAS輸入欠壓鎖定電路會抑制開關(guān)動作。當(dāng)BIAS上升超過欠壓鎖定上升閾值且EN1和EN2使能降壓控制器時，控制器開始開關(guān)，輸出電壓通過軟啟動逐漸上升。

降壓控制器

采用PWM、電流模式控制方案，使用外部邏輯電平MOSFET實現(xiàn)優(yōu)化的負(fù)載電流設(shè)計。固定頻率操作和最佳交錯方式可將輸入紋波電流從最小輸入電壓到最大輸入電壓降至最低。輸出電流檢測可通過感測電阻實現(xiàn)精確的電流限制，也可通過無損電流檢測減少功耗。

軟啟動

當(dāng)相應(yīng)的EN_引腳被拉高使能降壓轉(zhuǎn)換器時，軟啟動電路會在軟啟動時間（tSSTART = 6ms（典型值））內(nèi)逐漸提升參考電壓，以減少啟動時的輸入浪涌電流。

開關(guān)頻率/外部同步

MAX16932的內(nèi)部振蕩器可在1MHz至2.2MHz之間調(diào)節(jié)，MAX16933的內(nèi)部振蕩器可在200kHz至1MHz之間調(diào)節(jié)。通過連接電阻RFOSC從FOSC到AGND可設(shè)置開關(guān)頻率。芯片還可通過將外部時鐘信號連接到FSYNC與外部時鐘同步，F(xiàn)SYNC頻率應(yīng)保持在內(nèi)部頻率的110%至150%之間，且占空比為50%。

輕載效率跳頻模式

將FSYNC拉低可啟用跳頻模式，在該模式下，芯片在FB電壓低于參考電壓時停止開關(guān)，直到電感電流達(dá)到由電感DCR或輸出分流電阻定義的最大電流的20%（跳頻閾值）時才開始開關(guān)。

強(qiáng)制PWM模式

將FSYNC拉高可防止芯片進(jìn)入跳頻模式，強(qiáng)制低側(cè)柵極驅(qū)動波形始終為高側(cè)柵極驅(qū)動波形的互補(bǔ)波形，使電感電流在輕載時反向并對輸出電容放電。該模式可保持開關(guān)頻率在所有負(fù)載條件下恒定，但會降低輕載效率，適用于改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和消除可能干擾AM無線電頻段的未知頻率諧波。

擴(kuò)頻

MAX16932CATIS、MAX16932CATIU和MAX16933CATIS具備增強(qiáng)的EMI性能，通過對開關(guān)頻率進(jìn)行±6%的抖動，降低時鐘頻率及其諧波處的峰值發(fā)射噪聲，更易滿足嚴(yán)格的發(fā)射限制。當(dāng)使用外部時鐘源時，擴(kuò)頻功能將被禁用。

Buck 2開關(guān)頻率

對于MAX16932ATIT和MAX16932CATIU，Buck 2的開關(guān)頻率設(shè)置為Buck 1開關(guān)頻率的1/2，在使用這些器件時，需要根據(jù)降低的開關(guān)頻率來選擇Buck 2的外部組件。

MOSFET柵極驅(qū)動器

DH_高側(cè)n溝道MOSFET驅(qū)動器由BST處的電容供電，低側(cè)驅(qū)動器（DL）由5V線性穩(wěn)壓器（BIAS）供電。每個通道都有一個直通保護(hù)電路，用于監(jiān)測外部MOSFET的柵源電壓，防止互補(bǔ)開關(guān)未完全關(guān)閉時MOSFET導(dǎo)通。為確保保護(hù)電路正常工作，需要從DL_和DH_驅(qū)動器到MOSFET柵極提供低電阻、低電感路徑。

高側(cè)柵極驅(qū)動器電源（BST_）

高側(cè)MOSFET通過閉合BST_和DH_之間的內(nèi)部開關(guān)并將自舉電容的電荷轉(zhuǎn)移到高側(cè)MOSFET的柵極來導(dǎo)通。當(dāng)高側(cè)MOSFET關(guān)閉且LX_電壓降至地電位時，自舉電容的負(fù)端也降至相同電位，此時自舉二極管對自舉電容的正端進(jìn)行充電。根據(jù)高側(cè)MOSFET的總柵極電荷和允許的電壓變化，可計算出合適的自舉電容值。

電流限制和電流檢測輸入

電流限制電路使用差分電流檢測輸入（OUT和CS）來限制電感峰值電流。當(dāng)電流檢測信號的幅度超過電流限制閾值（VLIMIT1,2 = 80 mV（典型值））時，PWM控制器會關(guān)閉高側(cè)MOSFET。為實現(xiàn)最精確的電流檢測，可在電感和輸出電容之間使用電流檢測分流電阻；為提高效率，也可直接跨電感測量電流，但該方法在整個溫度范圍內(nèi)可能會產(chǎn)生高達(dá)30%的誤差，需要在電流檢測電路中使用濾波網(wǎng)絡(luò)。

電壓監(jiān)測（PGOOD_）

MAX16932/MAX16933包含多個電源監(jiān)測信號，用于方便電源排序和監(jiān)控。當(dāng)相應(yīng)的調(diào)節(jié)器輸出電壓處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時，PGOOD_引腳變?yōu)楦咦杩?；?dāng)輸出電壓低于或高于其標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的15%（典型值）時，PGOOD_引腳拉低。在軟啟動、軟放電以及任一降壓轉(zhuǎn)換器禁用時，PGOOD_引腳也會拉低。

熱過載、過流、過壓和欠壓保護(hù)

熱過載保護(hù)可限制器件的總功耗，當(dāng)結(jié)溫超過+170°C時，內(nèi)部熱傳感器會關(guān)閉器件，待結(jié)溫下降20°C后再次開啟。過流保護(hù)在電感電流超過CS_和OUT_處編程的最大電流限制時，關(guān)閉相應(yīng)的驅(qū)動器。過壓保護(hù)通過在輸出電壓達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的約115%時關(guān)閉高側(cè)柵極驅(qū)動器來限制降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

七、設(shè)計步驟

降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計步驟

有效輸入電壓范圍

雖然MAX16932/MAX16933可在高達(dá)36V（42V瞬態(tài)）的輸入電源下工作并調(diào)節(jié)至1V，但最小電壓轉(zhuǎn)換比可能受最小可控導(dǎo)通時間限制。為實現(xiàn)固定頻率PWM操作和最佳效率，Buck 1和Buck 2應(yīng)在正常工作條件下處于連續(xù)導(dǎo)通模式。最大電壓轉(zhuǎn)換比受最大占空比（95%）限制，在低降壓操作時，器件會將開關(guān)頻率降低至編程頻率的25%（最大）。

設(shè)置輸出電壓

將FB1和FB2連接到BIAS可啟用由預(yù)設(shè)內(nèi)部電阻分壓器設(shè)置的固定降壓控制器輸出電壓（5V和3.3V）。若要在1V至10V之間外部調(diào)節(jié)輸出電壓，可將電阻分壓器從輸出（OUT_）連接到FB_再到AGND，并使用相應(yīng)公式計算電阻值。

電感選擇

選擇電感時，需要考慮電感值（L）、電感飽和電流（ISAT）和直流電阻（RDCR）。電感值的選擇需要在尺寸、成本、效率和瞬態(tài)響應(yīng)之間進(jìn)行權(quán)衡，可根據(jù)典型占空比、開關(guān)頻率、輸入電壓、輸出電壓和所選的電感峰峰值交流電流與直流平均電流之比（LIR）來確定電感值。同時，電感的飽和電流應(yīng)大于最大電感電流，以確保電感性能穩(wěn)定。

MOSFET選擇

每個降壓控制器驅(qū)動兩個外部邏輯電平n溝道MOSFET，選擇MOSFET時需要考慮閾值電壓、最大漏源電壓（VDS(MAX)）和電流能力等參數(shù)。所有MOSFET應(yīng)選擇合適的VDS額定值以處理所有輸入電壓條件，并能提供足夠的平均電流和峰值電流。

電流檢測測量

為實現(xiàn)最佳的電流檢測精度和過流保護(hù)，可在電感和輸出之間使用±1%容差的電流檢測電阻；對于不需要高精度電流限制保護(hù)的高功率應(yīng)用，可通過在電感兩端連接串聯(lián)RC電路來降低總功耗。

輸入電容

降壓轉(zhuǎn)換器的不連續(xù)輸入電流會導(dǎo)致較大的輸入紋波電流，因此需要仔細(xì)選擇輸入電容，以承受輸入紋波電流并將輸入電壓紋波控制在設(shè)計要求范圍內(nèi)。180°紋波相位操作可將輸入電容紋波電流的頻率提高到單個轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的兩倍。

輸出電容

輸出電容的實際電容值與實現(xiàn)低ESR所需的物理尺寸以及電容技術(shù)的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。通常根據(jù)ESR和電壓額定值選擇電容，而不是電容值。在負(fù)載瞬變期間，需要確保輸出電容足夠大，以吸收電感能量，避免觸發(fā)過壓故障保護(hù)。

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

MAX16932/MAX16933采用峰值電流模式控制方案，通過調(diào)節(jié)外部電感中的電流來調(diào)節(jié)輸出電壓。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定，需要設(shè)計合適的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，包括選擇合適的補(bǔ)償電阻（RC）和補(bǔ)償電容（CC），并根據(jù)具體情況添加額外的補(bǔ)償電容（CF）。

八、應(yīng)用信息

布局建議

PCB布局對于實現(xiàn)低開關(guān)損耗和穩(wěn)定的操作至關(guān)重要。應(yīng)將所有功率組件安裝在電路板的頂層，使它們的接地端子相互靠近。具體布局建議包括：保持高電流路徑短，特別是接地端子；保持功率走線和負(fù)載連接短，使用厚銅PCB可提高滿載效率；通過連接CS_和OUT并使用開爾文檢測直接跨電流檢測電阻來最小化電流檢測誤差；將高速開關(guān)節(jié)點（BST, LX, DH, and DL）遠(yuǎn)離敏感模擬區(qū)域（FB, CS, and OUT）。

布局步驟

1. 首先放置功率組件，使接地端子相鄰，盡可能在頂層使用寬的銅填充區(qū)域進(jìn)行連接。
2. 將控制器IC安裝在低側(cè)MOSFET附近，最好在與NL_和NH相對的背面，以保持LX, GND, DH_, and DL_柵極驅(qū)動線短而寬。
3. 將柵極驅(qū)動組件（BST_二極管和電容以及LDO旁路電容BIAS）分組在控制器IC附近，并根據(jù)電流大小合理設(shè)計走線尺寸。
4. 按照特定的接地連接方式進(jìn)行連接，將模擬接地平面和功率接地平面僅在IC正下方的單點連接。
5. 使用多個過孔將輸出功率平面直接連接到輸出濾波電容的正負(fù)極，并將整個DC - DC轉(zhuǎn)換器電路盡可能靠近負(fù)載放置。

九、總結(jié)

MAX16932/MAX16933作為一款高性能的雙降壓控制器，憑借其低功耗、寬輸入電壓范圍、豐富的保護(hù)功能和靈活的工作模式，在汽車等中高功率應(yīng)用領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢。通過深入了解其電氣特性、工作原理和設(shè)計要點，工程師可以更好地利用這款芯片，設(shè)計出穩(wěn)定、高效的電源管理系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體的設(shè)計要求和應(yīng)用場景，合理選擇外部組件，并遵循良好的PCB布局原則，以充分發(fā)揮芯片的性能。你在使用MAX16932/MAX16933過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。