MAX1951A：高效PWM DC - DC降壓調(diào)節(jié)器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC - DC降壓調(diào)節(jié)器是電源管理中不可或缺的一部分。今天我們要深入探討的是Maxim公司的MAX1951A，一款1MHz、2A、2.6V至5.5V輸入的PWM DC - DC降壓調(diào)節(jié)器，它在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中都有著出色的表現(xiàn)。

文件下載：MAX1951A.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX1951A是一款高效的DC - DC降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器，能夠提供高達(dá)2A的輸出電流。其輸入電壓范圍為2.6V至5.5V，輸出電壓可在0.8V至輸入電壓之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，非常適合板載后調(diào)節(jié)應(yīng)用。該調(diào)節(jié)器在負(fù)載、線路和溫度變化時(shí)，總輸出誤差小于±1.5%，工作頻率固定在1MHz，效率最高可達(dá)94%。高工作頻率有助于減小外部組件的尺寸，內(nèi)部軟啟動(dòng)控制電路可降低浪涌電流，短路和熱過載保護(hù)則提高了設(shè)計(jì)的可靠性。此外，它還能在有預(yù)偏置或無預(yù)偏置輸出的情況下安全啟動(dòng)，這一特性簡(jiǎn)化了核心和I/O應(yīng)用以及冗余電源設(shè)計(jì)的跟蹤電源設(shè)計(jì)。

二、產(chǎn)品特性

2.1 小尺寸與高效能

• 緊湊的電路布局：僅需0.385平方英寸的電路占地面積，搭配10μF陶瓷輸入和輸出電容以及2μH電感，就能實(shí)現(xiàn)2A的輸出。
• 高轉(zhuǎn)換效率：最高可達(dá)94%的效率，能有效降低功耗，提高能源利用率。

  2.2 精準(zhǔn)輸出

• 高精度輸出：在負(fù)載、線路和溫度變化時(shí)，輸出精度達(dá)到1.5%，確保了穩(wěn)定的輸出電壓。
• 可調(diào)輸出電壓：輸出電壓可在0.8V至輸入電壓之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足不同應(yīng)用的需求。

  2.3 可靠保護(hù)

• 短路和熱過載保護(hù)：有效保護(hù)設(shè)備免受短路和過熱的影響，提高了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

  2.4 其他特性

• 低功耗設(shè)計(jì)：通過使能輸入音頻關(guān)閉功能，可降低功耗。
• 安全啟動(dòng)：能在有預(yù)偏置輸出的情況下安全啟動(dòng)。

三、電氣特性

3.1 輸入與電源電壓

• 輸入電壓范圍：2.6V至5.5V，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 電源電流：無負(fù)載開關(guān)時(shí)，輸入電壓為5.5V時(shí)，典型值為7mA，最大值為10mA；關(guān)機(jī)電流典型值為0.1mA，最大值為0.4mA。

  3.2 其他參數(shù)

• COMP跨導(dǎo)：從FB到COMP，VCOMP = 0.8V時(shí)，典型值為50uS。
• FB輸出電壓范圍：使用外部反饋電阻驅(qū)動(dòng)FB時(shí)，輸出電壓范圍為0.8V至輸入電壓。
• LX導(dǎo)通電阻：PMOS和NMOS在不同輸入電壓下有不同的導(dǎo)通電阻值。

四、工作原理

4.1 控制器模塊功能

MAX1951A采用PWM電流模式控制方案。在每個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘上升沿，內(nèi)部高端MOSFET開啟，電流通過電感上升，為輸出提供電流并在電感中存儲(chǔ)能量。電流模式反饋系統(tǒng)根據(jù)輸出電壓誤差信號(hào)調(diào)節(jié)電感峰值電流。為保持內(nèi)環(huán)穩(wěn)定性并消除電感階梯效應(yīng)，將斜率補(bǔ)償斜坡信號(hào)加入主PWM比較器。在周期的后半段，高端p溝道MOSFET關(guān)閉，低端n溝道MOSFET開啟，電感釋放存儲(chǔ)的能量，同時(shí)輸出電容平滑負(fù)載電壓。在過載情況下，當(dāng)電感電流超過電流限制時(shí)，高端MOSFET在時(shí)鐘上升沿不開啟，低端MOSFET保持開啟，使電感電流下降。

4.2 電流檢測(cè)

內(nèi)部電流檢測(cè)放大器產(chǎn)生與高端MOSFET導(dǎo)通電阻和電感電流乘積成正比的電流信號(hào)。放大后的電流檢測(cè)信號(hào)和內(nèi)部斜率補(bǔ)償信號(hào)相加后輸入到比較器的反相輸入端，當(dāng)該和值超過電壓誤差放大器的輸出時(shí)，PWM比較器關(guān)閉內(nèi)部高端MOSFET。

4.3 電流限制

內(nèi)部高端MOSFET的電流限制典型值為3.1A，當(dāng)LX流出的電流超過該限制時(shí)，高端MOSFET關(guān)閉，同步整流器開啟，降低占空比，使輸出電壓下降，直到電流限制不再被超過。同步整流器的電流限制典型值為 - 0.6A，可防止電流流入LX。當(dāng)負(fù)電流限制被超過時(shí)，同步整流器關(guān)閉，迫使電感電流通過高端MOSFET體二極管流回輸入，直到下一個(gè)周期開始或電感電流降為零。在短路輸出條件下，MAX1951A采用脈沖跳過模式防止過熱，當(dāng)FB電壓低于300mV時(shí)，進(jìn)入脈沖跳過模式，將電流限制在3A（典型值），減少功耗，短路條件消除后恢復(fù)正常運(yùn)行。

五、設(shè)計(jì)步驟

5.1 可調(diào)輸出電壓

MAX1951A的輸出電壓可在0.8V至輸入電壓之間調(diào)節(jié)。將FB連接到輸出可獲得0.8V輸出；若要設(shè)置輸出電壓大于VFB（典型值0.8V），可使用電阻分壓器將輸出連接到FB和GND。選擇R2在2kΩ至20kΩ之間，并根據(jù)公式 (R 3 = R 2 ×[(V{OUT } / V{FB}) - 1]) 計(jì)算R3的值。同時(shí)，MAX1951A的PWM電路最小占空比為18%，這限制了最小輸出電壓為0.18×VIN，絕對(duì)最小值為0.8V，當(dāng)VIN/VOUT比率低于0.18時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定。

5.2 輸出電感設(shè)計(jì)

大多數(shù)應(yīng)用建議使用2μH、額定直流電流最小為2A的電感。為獲得最佳效率，電感的直流電阻應(yīng)小于20mΩ，飽和電流應(yīng)大于3A（最小值）?？筛鶕?jù)公式 (L{INIT} = V{OUT} ×(V{IN } - V{OUT}) /(V{IN } × L{IR} × I{OUT(MAX) } × f{SW})) 計(jì)算電感值，其中fSW為振蕩器的開關(guān)頻率（典型值1MHz），電感電流紋波百分比LIR應(yīng)保持在最大負(fù)載電流的20%至40%之間，以平衡成本、尺寸和性能。最大電感電流計(jì)算公式為 (I{L(MAX)} = (1 + L{IR} / 2) × I{OUT(MAX)}) ，并需根據(jù)輸出紋波電壓要求檢查電感的最終值，輸出紋波電壓計(jì)算公式為 (V{RIPPLE } = V{OUT } ×(V{IN } - V{OUT }) × ESR /(V{IN } × L{FINAL } × f{SW })) ，其中ESR為輸出電容的等效串聯(lián)電阻。

5.3 輸入電容設(shè)計(jì)

輸入濾波電容可降低從電源吸取的峰值電流，減少電路開關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。輸入電容需滿足開關(guān)電流規(guī)定的紋波電流要求，計(jì)算公式為 (I{RMS} = (1 / V{IN }) × sqrt{(I{OUT }^{2} × V{OUT } ×(V{IN } - V{OUT }))}) 。對(duì)于占空比小于0.5的情況，輸入電容的RMS電流高于計(jì)算值，因此在計(jì)算較低占空比下的RMS電流時(shí)應(yīng)增加20%的余量。建議使用陶瓷電容，因其具有低ESR和等效串聯(lián)電感（ESL）。選擇在最大工作RMS電流下溫度上升小于10°C的電容，以確保長(zhǎng)期可靠性。確定輸入電容后，需檢查高端MOSFET開啟時(shí)電容放電引起的輸入紋波電壓，計(jì)算公式為 (V_{INRIPPLE} = (I{OUT} × V{OUT}) /(f{SW } × V{IN } × C{IN})) ，應(yīng)保持輸入紋波電壓小于輸入電壓的3%。

5.4 輸出電容設(shè)計(jì)

輸出電容的關(guān)鍵選擇參數(shù)包括電容值、ESR、ESL和電壓額定要求，這些參數(shù)會(huì)影響DC - DC轉(zhuǎn)換器的整體穩(wěn)定性、輸出紋波電壓和瞬態(tài)響應(yīng)。輸出紋波由輸出電容存儲(chǔ)電荷的變化、電容ESR引起的電壓降和電容ESL引起的電壓降組成，計(jì)算公式為 (V{RIPPLE} = V{RIPPLE(C)} + V{RIPPLE(ESR)} + V{RIPPLE(ESL)}) ，其中 (V{RIPPLE(C)} = I{P - P} /(8 × C{OUT} × f{SW})) ， (V{RIPPLE(ESR)} = I{P - P} × ESR) ， (V{RIPPLE(ESL)} = (I{P - P} / t{ON}) × ESL) 或 (V{RIPPLE(ESL)} = (I{P - P} / t{OFF}) × ESL) ， (I{P - P}) 為電感電流峰 - 峰值，計(jì)算公式為 (I{P - P} = [(V{IN} - V{OUT}) / f{SW} × L] × V{OUT} / V_{IN}) ?？墒褂眠@些公式進(jìn)行初始電容選擇，但最終值需通過測(cè)試原型或評(píng)估電路確定。一般來說，較小的紋波電流會(huì)導(dǎo)致較小的輸出電壓紋波，較大的電感值可降低輸出電壓紋波。建議使用陶瓷電容，因其在轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率下具有低ESR和ESL，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)取決于所選的輸出電容。

5.5 補(bǔ)償設(shè)計(jì)

MAX1951A采用電流模式控制方案，通過迫使所需電流通過外部電感來調(diào)節(jié)輸出電壓，消除了電感和輸出電容引起的雙極點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。使用簡(jiǎn)單的1型補(bǔ)償，在COMP（誤差放大器的輸出）和GND之間連接一個(gè)串聯(lián)電阻 (R{1}) 和電容 (C{2}) ，可創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定且高帶寬的環(huán)路。內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器補(bǔ)償控制環(huán)路，通過連接串聯(lián)電阻和電容形成一個(gè)極點(diǎn) - 零點(diǎn)對(duì)。外部電感、內(nèi)部電流檢測(cè)電路、輸出電容和外部補(bǔ)償電路決定了環(huán)路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。需根據(jù)性能、尺寸和成本選擇電感和輸出電容，并選擇補(bǔ)償電阻和電容以優(yōu)化控制環(huán)路的穩(wěn)定性。典型應(yīng)用電路中的組件值可在廣泛的輸入 - 輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

六、應(yīng)用信息

6.1 PCB布局考慮

• 電容放置：去耦電容應(yīng)盡可能靠近IC，電源接地平面（連接到PGND）和信號(hào)接地平面（連接到GND）應(yīng)分開。
• 電容連接：輸入和輸出電容連接到電源接地平面，其他電容連接到信號(hào)接地平面。
• 電流路徑：高電流路徑應(yīng)盡可能短而寬，避免開關(guān)路徑中的過孔。
• 散熱設(shè)計(jì)：如有可能，將IN、LX和PGND分別連接到大面積銅區(qū)域，以幫助IC散熱，提高效率和長(zhǎng)期可靠性。
• 反饋連接：確保所有反饋連接短而直接，反饋電阻應(yīng)盡可能靠近IC。
• 布線注意：高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離敏感模擬區(qū)域（FB、COMP）。

  6.2 熱考慮

• 增加銅面積：增加連接到GND、LX和IN的銅面積。
• 熱過孔：在GND和IN旁邊提供熱過孔，連接到PCB背面的接地平面和電源平面，并在過孔旁邊的焊料掩膜上開口，以提供更好的熱傳導(dǎo)。
• 強(qiáng)制風(fēng)冷：提供強(qiáng)制風(fēng)冷以進(jìn)一步降低外殼溫度。

MAX1951A憑借其高效、可靠的性能和靈活的設(shè)計(jì)，在眾多應(yīng)用中都能發(fā)揮重要作用。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮其特性和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，能夠更好地實(shí)現(xiàn)電源管理的優(yōu)化。你在使用類似的DC - DC降壓調(diào)節(jié)器時(shí)，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享。