MAX17546：高效同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的設計與應用

在電子設備的電源設計領(lǐng)域，一款性能出色的DC - DC轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天我們就來深入探討Maxim Integrated推出的MAX17546，這是一款4.5V至42V、5A的高效同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，具有內(nèi)部補償功能，能滿足多種應用場景的需求。

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一、產(chǎn)品概述

MAX17546是一款集成了高端MOSFET的高效、高壓同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為4.5V至42V，可提供高達5A的輸出電流，輸出電壓范圍從0.9V到0.9×VIN。其反饋（FB）電壓在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內(nèi)精度可達±1.4%。該轉(zhuǎn)換器采用峰值電流模式控制，支持脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）和不連續(xù)導通模式（DCM）控制方案。它采用20引腳（5mm x 5mm）薄型QFN（TQFN）封裝，并且提供仿真模型。

二、產(chǎn)品優(yōu)勢與特性

2.1 減少外部組件和總成本

• 無肖特基同步操作：無需額外的肖特基二極管，簡化了電路設計。
• 內(nèi)部補償：適用于任何輸出電壓，無需外部補償組件。
• 內(nèi)置軟啟動：可減少啟動時的浪涌電流。
• 全陶瓷電容，緊湊布局：使用陶瓷電容有助于減小電路板面積。

2.2 減少DC - DC穩(wěn)壓器庫存

• 寬輸入電壓范圍：4.5V至42V的輸入范圍，可適應多種電源。
• 可調(diào)輸出電壓：輸出電壓范圍從0.9V到VIN的90%，滿足不同應用需求。
• 可調(diào)開關(guān)頻率：100kHz至2.2MHz的可調(diào)開關(guān)頻率，并支持外部同步。

2.3 降低功耗

• 高效率：峰值效率 > 95%。
• PFM/DCM模式：提高輕載效率。
• 輔助自舉LDO：提高效率。
• 低關(guān)機電流：3.5μA的關(guān)機電流，降低待機功耗。

2.4 惡劣工業(yè)環(huán)境下可靠運行

• 過流保護：具有打嗝或鎖存模式過載保護。
• 短路檢測：DL - 到 - LX短路檢測功能。
• 輸出電壓監(jiān)控：內(nèi)置輸出電壓監(jiān)控和RESET功能。
• 可編程EN/UVLO閾值：可根據(jù)需要設置輸入欠壓鎖定閾值。
• 預偏置負載啟動：單調(diào)啟動到預偏置負載。
• 寬溫度范圍：工業(yè)級 - 40°C至 + 125°C的環(huán)境工作溫度范圍， - 40°C至 + 150°C的結(jié)溫范圍。

三、電氣特性

3.1 輸入電源

輸入電壓范圍為4.5V至42V，輸入關(guān)機電流在關(guān)機模式下為3.5 - 5.5μA，不同模式下的輸入靜態(tài)電流也有明確規(guī)定。

3.2 使能/欠壓鎖定（EN/UVLO）

EN/UVLO閾值包括上升和下降閾值，輸入泄漏電流在特定條件下為 - 50至 + 50nA。

3.3 LDO和EXT LDO

VCC輸出電壓范圍為4.75 - 5.25V，有電流限制和壓降等參數(shù)；EXT VCC有工作電壓范圍、切換電壓和壓降等特性。

3.4 功率MOSFET和低端驅(qū)動器

高端nMOS導通電阻、LX泄漏電流、上拉和下拉電阻等都有相應的參數(shù)。

3.5 軟啟動

充電電流為4.7 - 5.3μA。

3.6 反饋（FB）

FB調(diào)節(jié)電壓在不同模式下有不同的值，F(xiàn)B輸入偏置電流在特定條件下為 - 75至 + 75nA。

3.7 MODE/SYNC

MODE閾值在不同模式下有不同的取值，SYNC有頻率捕獲范圍、脈沖寬度和閾值等參數(shù)。

3.8 電流限制

包括峰值電流限制閾值、失控電流限制閾值、負電流限制比較器電壓參考和PFM電流限制閾值等。

3.9 RT

開關(guān)頻率與RT電阻有關(guān)，不同RT電阻值對應不同的開關(guān)頻率。

3.10 RESET

RESET輸出低電平、泄漏電流、輸出電壓閾值和去斷言延遲等都有規(guī)定。

3.11 熱關(guān)斷

熱關(guān)斷閾值溫度為165°C，熱關(guān)斷遲滯為10°C。

四、典型應用電路

文檔中給出了5V輸出和3.3V輸出的典型應用電路，包括元件參數(shù)和連接方式。例如5V輸出電路中，輸入電壓為6.5V - 42V，使用了特定的電感、電容和電阻等元件，通過合理的布局和連接實現(xiàn)穩(wěn)定的5V輸出。

五、工作模式

5.1 PWM模式

在PWM模式下，電感電流允許為負，提供恒定頻率操作，適用于對開關(guān)頻率敏感的應用，但輕載效率較低。

5.2 PFM模式

PFM模式禁用負電感電流，輕載時跳過脈沖以提高效率。其優(yōu)點是輕載效率高，但輸出電壓紋波較大，開關(guān)頻率在輕載時不恒定。

5.3 DCM模式

DCM模式在輕載時不跳過脈沖，僅禁用負電感電流，效率介于PWM和PFM模式之間，能實現(xiàn)比PFM模式更低負載下的恒定頻率操作。

六、關(guān)鍵參數(shù)設置

6.1 開關(guān)頻率設置

通過連接從RT到SGND的電阻，可以將MAX17546的開關(guān)頻率從100kHz編程到2.2MHz，公式為 (R{RT} cong frac{19 × 10^{3}}{f{SW}} - 1.7) ，其中 (R{RT}) 單位為kΩ， (f{SW}) 單位為kHz。

6.2 輸入欠壓鎖定電平設置

通過連接從VIN到SGND的電阻分壓器，可以設置器件開啟的電壓，計算公式為 (R2=frac{R1 × 1.215}{(V{INU} - 1.215)}) ，其中 (V{INU}) 是器件需要開啟的電壓。

6.3 輸出電壓調(diào)整

通過連接從輸出電容正端到SGND的電阻分壓器來設置輸出電壓，先計算 (R3=frac{451 × 10^{3}}{f{C} × C{OUTSEL}}) ，再計算 (R4=frac{R3 × 0.9}{(V{OUT} - 0.9)}) 。

七、元件選擇

7.1 輸入電容選擇

輸入電容用于減少電源的峰值電流和輸入電壓紋波，計算公式為 (C{IN}=frac{I{OUT(MAX)} × D × (1 - D)}{eta × f{SW} × Delta V{IN}}) ，應選擇低ESR、高紋波電流能力的陶瓷電容。

7.2 電感選擇

電感值由開關(guān)頻率和輸出電壓決定，公式為 (L=frac{V{OUT}}{2.2 × f{SW}}) ，同時要選擇飽和電流足夠高、DC電阻盡可能低的電感。

7.3 輸出電容選擇

輸出電容通常選擇X7R陶瓷電容，以支持50%最大輸出電流的階躍負載，最小輸出電容計算公式為 (C{OUT}=frac{1}{2} × frac{I{STEP} × t{RESPONSE}}{Delta V{OUT}}) 。

7.4 軟啟動電容選擇

軟啟動電容用于減少浪涌電流，計算公式為 (C{SS} geq 28 × 10^{-6} × C{SEL} × V{OUT}) ，軟啟動時間 (t{SS}=C_{SS} / (5.55 × 10^{-6})) 。

八、保護功能

8.1 DL - 到 - LX短路檢測

防止DL引腳短路到LX引腳時損壞低端外部FET，若檢測到短路，啟動序列將不會啟動。

8.2 過流保護/打嗝模式

具有逐周期峰值電流限制和失控電流限制，可在過載和輸出短路時保護器件。當出現(xiàn)失控電流限制或輸出電壓下降到標稱值的68%（典型值）時，觸發(fā)打嗝模式，暫停開關(guān)操作32,768個時鐘周期后嘗試重新軟啟動。也可設置為鎖存模式，需要重新給器件供電才能再次啟動。

8.3 熱關(guān)斷保護

當結(jié)溫超過165°C時，芯片的熱傳感器將關(guān)閉器件，結(jié)溫降低10°C后，器件將軟啟動重新開啟。

九、PCB布局指南

• 減少電感：所有承載脈沖電流的連接應盡可能短且寬，以減少電感，降低輻射EMI。
• 電容放置：陶瓷輸入濾波電容應靠近IC的VIN引腳，VCC引腳的旁路電容也應靠近引腳。
• 接地分離：模擬小信號地和開關(guān)電流的功率地應分開，在VCC旁路電容的返回端連接。
• 接地平面：接地平面應盡量保持連續(xù)，避免高開關(guān)電流的走線直接跨越接地平面的不連續(xù)處。
• 散熱：在器件的裸露焊盤下方提供多個連接到大地平面的熱過孔，以提高散熱效率。

十、總結(jié)

MAX17546是一款功能強大、性能出色的同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，具有多種優(yōu)勢和特性，適用于工業(yè)電源、分布式電源調(diào)節(jié)、基站電源等多種應用場景。在設計過程中，合理設置關(guān)鍵參數(shù)、選擇合適的元件和遵循PCB布局指南，能充分發(fā)揮其性能，為電子設備提供穩(wěn)定可靠的電源。你在使用這款轉(zhuǎn)換器時遇到過哪些問題呢？或者對于電源設計還有哪些疑問，歡迎在評論區(qū)交流。