MAX17559：60V雙輸出同步降壓控制器的深度解析

在工業(yè)電源、分布式直流電源系統(tǒng)等領域，一款性能出色的降壓控制器至關重要。今天我們要深入探討的是Maxim Integrated推出的MAX17559，一款60V雙輸出同步降壓控制器，它在寬輸入電壓范圍、高效能以及可靠運行等方面表現(xiàn)卓越。

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一、產(chǎn)品概述

1. 基本功能

MAX17559是一款雙輸出同步降壓控制器，能夠驅動nMOSFET。它采用恒定頻率、峰值電流模式架構，兩個輸出可配置為獨立電壓軌。通過讓兩個輸出以180°異相運行，可最大程度減小輸入電容的尺寸。

2. 應用領域

該控制器適用于多種場景，如工業(yè)電源、分布式直流電源系統(tǒng)、運動控制、可編程邏輯控制器以及計算機數(shù)控等。

3. 特性亮點

• 寬范圍操作：輸入電壓范圍為4.5V至60V，輸出電壓范圍為0.8V至24V；支持RSENSE或電感DCR電流檢測；固定180°異相運行；開關頻率可在100kHz至2.2MHz之間調節(jié)；具備獨立使能和PGOOD功能；采用無鉛7mm x 7mm、32引腳TQFP封裝。
• 提高電源效率：低阻抗柵極驅動器實現(xiàn)高效運行；輕載時采用DCM模式；配備輔助自舉LDO。
• 惡劣工業(yè)環(huán)境可靠運行：獨立可調軟啟動/停止或跟蹤功能；電流可選折返或鎖存限制，可降低短路時MOSFET的散熱；工作溫度范圍為-40°C至+125°C；具備輸出過壓和過溫保護。

二、電氣特性分析

1. 輸入電源特性

輸入電壓范圍為4.5V至60V，不同工作條件下的工作電源電流有所不同。例如，在SKIP = open，LX = PGND，BST = 5V等特定條件下，電流值在0.5mA至5mA之間變化。關機時，供應電流僅為10μA至20μA。

2. VCCINT穩(wěn)壓器特性

VCCINT輸出電壓在不同輸入電壓和負載條件下有相應的范圍。如在6V < VIN < 60V，IVCCINT = 1mA時，輸出電壓為4.95V至5.25V。同時，還具備負載調節(jié)、短路輸出電流、壓降電壓等特性。

3. 振蕩器特性

開關頻率可通過RT引腳進行編程，不同RT值對應不同的開關頻率。例如，RT = 62kΩ時，開關頻率為405kHz至475kHz；RT = VCCINT時，為480kHz至590kHz；RT = GND時，為325kHz至375kHz。

4. 其他特性

包括柵極驅動器的導通電阻、最小導通和關斷時間、死區(qū)時間、軟啟動/停止電流、使能邏輯閾值等一系列電氣特性，這些特性共同保證了控制器的穩(wěn)定運行。

三、典型工作特性

1. 效率與輸出電流關系

在不同輸出電壓（如5V、3.3V）和工作模式（PWM、DCM）下，效率隨輸出電流的變化呈現(xiàn)出不同的曲線。一般來說，隨著輸出電流的增加，效率會先上升后趨于穩(wěn)定。

2. 啟動特性

能夠從使能狀態(tài)啟動，并且可以在預偏置輸出電壓下實現(xiàn)單調啟動。在啟動過程中，輸出電壓能夠平穩(wěn)上升，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3. 負載瞬態(tài)響應

在負載電流發(fā)生變化時，如從0.1A到7.5A、從0A到4A等，輸出電壓能夠快速響應并恢復到穩(wěn)定值，保證了系統(tǒng)在負載變化時的穩(wěn)定性。

4. 過流保護

當出現(xiàn)短路等過流情況時，控制器能夠及時響應，通過關閉高端MOSFET等方式保護電路，確保系統(tǒng)的安全。

四、引腳配置與功能

1. 引腳配置

MAX17559采用32引腳TQFP封裝，各引腳具有特定的功能。例如，CS1 -、CS2 -為電流檢測信號的負端；RT用于開關頻率編程；ILIM1、ILIM2為電流限制選擇輸入等。

2. 引腳功能詳解

• 電流檢測引腳（CS+、CS-）：用于檢測電流，可采用外部電流檢測電阻或電感DCR進行電流檢測。
• 開關頻率編程引腳（RT）：通過連接不同的電阻到GND或VCCINT，可設置不同的開關頻率。
• 使能引腳（EN1、EN2）：可獨立控制兩個控制器的開啟和關閉，拉低引腳電壓可關閉相應控制器。
• 軟啟動/停止引腳（SS1、SS2）：通過連接電容到GND，可控制輸出電壓的軟啟動/停止時間，也可用于跟蹤其他電源的輸出。
• 電源良好引腳（PGOOD1、PGOOD2）：當相應的FB_引腳電壓在0.8V參考電壓的±10%范圍內時，引腳可被上拉，指示電源正常。

五、詳細工作原理

1. 內部LDO（VCCINT）

IC內部有兩個100mA的低壓差線性穩(wěn)壓器為VCCINT供電，根據(jù)VCCEXT的電壓水平，自動選擇由IN或VCCEXT供電。VCCINT為柵極驅動器和內部控制電路供電，并且具備欠壓鎖定（UVLO）功能，當VCCINT低于3.8V時，兩個穩(wěn)壓器均關閉，高于4.2V時重新開啟。

2. 低側柵極驅動器（DL_）

由VCCINT供電，正常工作時，DL_輸出始終與DH_輸出互補。專門的電路會監(jiān)控DH_和DL_輸出，防止兩個柵極驅動信號同時開啟，確保電路安全運行。

3. 高側柵極驅動器（DH_）

由連接在BST_和LX_之間的自舉電容供電。在每個開關周期中，當?shù)蛡萂OSFET導通時，自舉電容通過外部肖特基二極管充電至VCCINT。通過閉合BST_和DH_之間的內部開關，為高端MOSFET提供開啟所需的柵源電壓。

4. 關機和使能（EN_）

通過EN1和EN2引腳可獨立關閉和開啟兩個控制器。將引腳拉低至1.25V以下可關閉相應控制器，拉低至0.7V以下可關閉兩個控制器和大部分內部電路，此時靜態(tài)電流僅為10μA。將引腳拉高至1.25V至5.5V之間可開啟相應控制器。

5. 軟啟動/停止（SS_）

通過SS_引腳的電壓控制每個控制器輸出電壓的軟啟動/停止時間。當SS_引腳電壓低于0.8V內部參考電壓時，設備將FB_電壓調節(jié)至SS_引腳電壓。通過連接外部電容到GND，利用內部5μA的充放電電流，可實現(xiàn)輸出電壓的平穩(wěn)上升和下降。此外，SS_引腳還可用于跟蹤其他電源的輸出。

6. 輕載電流操作（SKIP）

可配置為不連續(xù)導通模式（DCM）以提高輕載效率，或固定頻率脈沖寬度調制（PWM）模式。連接SKIP引腳到1.25V至VCCINT - 1.5V之間的直流電壓可選擇DCM模式，連接到VCCINT可選擇PWM模式。

• DCM模式：在每個開關周期中，接近電感電流過零點時關閉調節(jié)器的低側MOSFET，減少電感中的負電流，降低損耗。在輕載或高輸入電壓條件下，可能會跳過開關周期以調節(jié)輸出電壓，提高效率。
• PWM模式：當SKIP連接到VCCINT時，控制器工作在PWM模式。電感電流允許為負，具有輸出電壓紋波小和頻率恒定的優(yōu)點。在最小導通時間條件下，也會跳過高端開啟事件以調節(jié)輸出電壓。

7. 頻率選擇（RT）

開關頻率的選擇需要在效率和元件尺寸之間進行權衡。通過RT引腳可將開關頻率編程在100kHz至2.2MHz之間。連接RT到VCCINT可設置默認頻率為535kHz，連接到GND可設置為350kHz。

8. 180°相位操作

兩個輸出通道之間采用固定180°相移操作，可降低輸入和輸出電容的RMS電流，減少輸入電壓紋波。

9. 輸出過壓保護

當輸出電壓超過其標稱值的10%時，高端MOSFET關閉，直到過壓條件消除。在不同工作模式下，低側MOSFET的狀態(tài)不同。PWM模式下，低側MOSFET保持導通；DCM模式下，電感電流為零時關閉，每10個時鐘周期開啟一次以刷新BST_電容。

10. 功率良好（PGOOD1和PGOOD2）引腳

獨立的開漏功率良好引腳，當相應的FB_引腳電壓在0.8V參考電壓的±10%范圍之外時，引腳拉低。軟啟動期間，引腳為低電平；FB_引腳電壓在參考電壓的- 10%范圍內時，可通過外部電阻上拉至不超過6V的源電壓。

11. 限流操作（ILIMSEL）

根據(jù)ILIMSEL引腳的配置，在限流條件下有兩種可選操作模式：

• 折返模式（ILIMSEL浮空）：過載時，輸出電壓降至標稱值的70%以下時，電感峰值電流按比例從編程值的100%降低至50%。軟啟動/停止期間該模式禁用。
• 鎖存模式（ILIMSEL接地）：過流時，輸出電壓降至設定值的70%以下，控制器進入鎖存模式，高低端MOSFET均關閉。軟啟動期間該模式不激活，需重新激活EN_引腳或IC電源才能恢復工作。

12. 峰值電流限制編程（ILIM_）

每個控制器的峰值電流限制閾值可獨立調節(jié)。通過連接電阻從ILIM_到GND可編程電流限制，電阻值可根據(jù)公式計算得出。同時，根據(jù)ILIM_引腳配置，有兩種可選的逐周期正電流限制閾值。

13. 預偏置輸出啟動

支持在預偏置輸出電壓下單調啟動。啟動時，若FB_引腳電壓高于SS_引腳電壓，高端MOSFET關閉，低側MOSFET每10個時鐘周期導通150ns以刷新BST_電容，使輸出緩慢放電。當SS_引腳電壓達到FB_引腳電壓時，進入正常軟啟動操作，輸出電壓從預偏置值平穩(wěn)上升。

14. 工作輸入電壓范圍

對于降壓轉換器，需根據(jù)輸出電壓、最大負載電流、電感直流電阻、最大開關頻率、MOSFET導通電阻等參數(shù)計算最小和最大工作輸入電壓。

15. 熱過載保護

當芯片結溫超過+160°C時，片上熱傳感器關閉設備，待溫度降低20°C后重新開啟，重啟時采用軟啟動。

六、應用信息

1. 設置輸入欠壓鎖定電平

可將EN_引腳用作輸入欠壓鎖定檢測器，通過連接電阻分壓器到相應的EN_引腳，可設置每個控制器開啟的輸入電壓。

2. 設置輸出電壓

通過連接電阻分壓器到FB_引腳，可設置每個控制器的輸出電壓。根據(jù)FB_引腳的漏電流和所需的輸出電壓偏移，選擇合適的R1電阻值，再根據(jù)公式計算R2電阻值。

3. 軟啟動/停止電容

通過在SS_引腳連接電容到GND，可編程軟啟動/停止時間。內部5μA電流源對電容進行充放電，提供線性斜坡電壓以控制輸出電壓參考。

4. 電感選擇

選擇輸出電感時，需考慮三個關鍵參數(shù)：電感值、電感飽和電流和電感直流電阻。根據(jù)電感峰峰值紋波交流電流與直流平均電流的比值、輸入電壓、輸出電壓和開關頻率，計算所需的電感值。同時，確保電感飽和電流大于最大電感峰值電流。選擇較低DCR的電感可提高效率，但需考慮電流檢測引腳所需的最小峰峰值電流檢測信號。

5. 電流檢測

CS+和CS-引腳為內部電流檢測放大器的輸入，可采用外部電流檢測電阻或電感DCR進行電流檢測。根據(jù)所需的電流檢測電阻、負載電流和電感紋波電流，計算電流檢測電阻值。同時，需確保電流檢測紋波電壓在合適的范圍內，以保證良好的信噪比和最小的占空比抖動。

6. 輸入電容選擇

輸入濾波電容可減少從電源吸取的峰值電流，降低輸入電壓紋波。使用低ESR陶瓷電容，根據(jù)負載電流、輸入輸出電壓比、效率和開關頻率，計算所需的輸入電容值和RMS電流要求。

7. 輸出電容選擇

輸出電容的關鍵選擇參數(shù)包括電容值、ESR和電壓額定值。這些參數(shù)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、輸出電壓紋波和瞬態(tài)響應。根據(jù)電感峰峰值紋波電流和開關頻率，計算輸出電壓紋波的兩個分量，進而確定所需的輸出電容值和ESR。

8. 環(huán)路補償

IC使用內部跨導誤差放大器，其反相輸入和輸出可供用戶進行外部頻率補償。根據(jù)輸出電感、輸出電容、所需的交越頻率、電流檢測放大器增益、有效電流檢測電阻、內部跨導放大器增益和輸出電壓反饋分壓增益，計算補償電阻和電容的值。

9. 自舉電容選擇

根據(jù)高端MOSFET的總柵極電荷和允許的電壓變化，選擇合適的自舉電容值。建議使用低ESR陶瓷電容，最小電容值為100nF。

10. MOSFET選擇

每個控制器驅動兩個外部邏輯電平nMOSFET，選擇時需考慮導通電阻、最大漏源電壓、米勒平臺電壓、總柵極電荷、輸出電容、功率耗散額定值和封裝熱阻等參數(shù)。同時，根據(jù)輸出電壓和輸入電壓計算高低側MOSFET的占空比，并根據(jù)公式估算MOSFET的損耗，確保損耗不超過其功率額定值。

11. 功率耗散計算

根據(jù)是否使用VCCEXT為VCCINT供電，分別使用不同的公式計算IC的近似損耗。同時，根據(jù)熱阻和環(huán)境溫度計算IC的結溫，確保結溫不超過+125°C。

七、PCB布局指南

1. 電容放置

將輸入旁路電容盡可能靠近高端MOSFET的漏極和低端MOSFET的源極；將IN、VCCINT、VCCEXT旁路電容和BST_電容靠近IC引腳。

2. 二極管放置

如果在低端MOSFET上使用外部肖特基二極管，應將其緊靠在低端MOSFET旁邊。

3. 信號布線

將高速開關節(jié)點（BST、LX、DH、DL）遠離敏感的模擬區(qū)域（RT、COMP、CS、FB_）；柵極電流走線應短而寬，必要時使用多個小過孔進行層間布線；電流檢測線應平行、短且相鄰，以減小回路面積；將電流檢測濾波電容靠近IC電流檢測引腳，并放置在IC的同一側。

4. 組件分組

將所有與GND相關和反饋組件靠近IC；盡量減小FB_和補償網(wǎng)絡的布線面積，以防止噪聲拾取。

5. 功率組件布局

如果可能，將所有功率組件放置在電路板的頂層，僅使用頂層的走線或銅填充來傳導功率級電流，避免使用過孔；縮短功率走線和負載連接，以提高效率；使用厚銅PCB（2oz或更高）來增強效率，減小走線電感和電阻。

6. 接地布局

在頂層布置一個大的PGND銅區(qū)域用于輸出，將輸入旁路電容、輸出電容和低端MOSFET的源極連接到該區(qū)域。

八、典型應用電路

文檔中給出了兩種典型應用電路，一種是基于電阻電流檢測的寬輸入電壓、高效5V和3.3V輸出降壓轉換器，另一種是基于電感DCR電流檢測的相同規(guī)格轉換器。這些電路為實際應用提供了參考，工程師可以根據(jù)具體需求進行調整和優(yōu)化。

綜上所述，MAX17559是一款功能強大、性能優(yōu)越的雙輸出同步降壓控制器。在實際設計中，工程師需要根據(jù)具體應用場景，綜合考慮其電氣特性、工作原理、元件選擇和PCB布局等方面，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電源設計。你在使用MAX17559或類似控制器的過程中，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。