筆記本電腦高效四路輸出主電源控制器MAX1777/MAX1977/MAX1999解析

在筆記本電腦的電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源控制器的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和可靠性。MAXIM推出的MAX1777/MAX1977/MAX1999系列電源控制器，為筆記本電腦的電源設(shè)計(jì)提供了出色的解決方案。下面我們就來(lái)深入了解一下這一系列控制器。

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產(chǎn)品概述

MAX1777/MAX1977/MAX1999是雙降壓、BiCMOS開(kāi)關(guān)模式電源控制器，專為筆記本電腦生成邏輯電源電壓。它們主要用于電池供電的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，高效率和低靜態(tài)電源電流至關(guān)重要。

產(chǎn)品特性

1. 電流檢測(cè)方式多樣：MAX1999無(wú)需電流檢測(cè)電阻，而MAX1777/MAX1977可通過(guò)電流檢測(cè)電阻進(jìn)行精確的電流檢測(cè)。
2. 輸出電壓精度高：具有1.5%的輸出電壓精度。
3. 集成線性穩(wěn)壓器：包含兩個(gè)線性穩(wěn)壓器，提供5V和3.3V始終開(kāi)啟的輸出，每個(gè)線性穩(wěn)壓器可提供高達(dá)100mA的輸出電流。
4. 多種工作模式：具備內(nèi)部軟啟動(dòng)和軟停止輸出放電功能，防止關(guān)機(jī)時(shí)出現(xiàn)負(fù)電壓；擁有Quick - PWM模式，負(fù)載階躍響應(yīng)時(shí)間為100ns；支持3.3V和5V固定或可調(diào)輸出（雙模式?）；輸入電壓范圍為4.5V至24V；具備超聲波脈沖跳躍模式（最低25kHz）；提供電源良好（PGOOD）信號(hào)。

產(chǎn)品型號(hào)差異

• MAX1777：采用200kHz/5V和300kHz/3.3V的開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS），以實(shí)現(xiàn)最高效率。
• MAX1977：采用400kHz/5V和500kHz/3.3V的SMPS，適用于“輕薄”應(yīng)用。
• MAX1999：提供引腳可選的開(kāi)關(guān)頻率，可選擇200kHz/300kHz或400kHz/500kHz的5V/3.3V SMPS工作模式。

電氣特性分析

主SMPS控制器

• 輸入電壓范圍：LDO5處于穩(wěn)壓狀態(tài)時(shí)，V +輸入電壓范圍為4.5V至24V。
• 輸出電壓：在固定模式下，3.3V輸出電壓為3.27V至3.39V，5V輸出電壓在不同型號(hào)和條件下有所不同；在可調(diào)模式下，輸出電壓范圍為1.97V至2.03V，輸出電壓調(diào)整范圍為2.0V至5.5V。
• 電流限制閾值：默認(rèn)正電流限制閾值為90mV至110mV，可通過(guò)ILIM_引腳進(jìn)行調(diào)整。

內(nèi)部穩(wěn)壓器和參考電壓

• LDO5輸出電壓：在6V < V + < 24V，0 < ILDO5 < 100mA的條件下，輸出電壓為4.90V至5.10V。
• LDO3輸出電壓：在相同條件下，輸出電壓為3.27V至3.43V。
• REF輸出電壓：無(wú)外部負(fù)載時(shí)，輸出電壓為1.975V至2.025V。

故障檢測(cè)

• 過(guò)壓保護(hù)：當(dāng)輸出電壓高于標(biāo)稱調(diào)節(jié)點(diǎn)8%至14%時(shí)，過(guò)壓保護(hù)觸發(fā)。
• 欠壓保護(hù)：當(dāng)輸出電壓低于標(biāo)稱輸出電壓65%至75%時(shí)，欠壓保護(hù)觸發(fā)。
• PGOOD信號(hào)：用于監(jiān)測(cè)輸出電壓的欠壓情況，當(dāng)輸出電壓低于標(biāo)稱值10%時(shí)，PGOOD信號(hào)拉低。

工作模式及原理

Quick - PWM控制架構(gòu)

這是一種偽固定頻率、恒定導(dǎo)通時(shí)間、具有電壓前饋的電流模式控制架構(gòu)。它依靠輸出紋波電壓提供PWM斜坡信號(hào)，輸出濾波電容的ESR充當(dāng)電流反饋電阻。高側(cè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間由一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器決定，該觸發(fā)器的周期與輸入電壓成反比，與輸出電壓成正比。

自動(dòng)脈沖跳躍切換（空閑模式）

在空閑模式（SKIP = GND）下，輕負(fù)載時(shí)會(huì)自動(dòng)切換到脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式。這種切換由一個(gè)比較器控制，該比較器在電感電流過(guò)零時(shí)截?cái)嗟蛡?cè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間。

強(qiáng)制PWM模式

低噪聲的強(qiáng)制PWM模式（SKIP = VCC）禁用零交叉比較器，使低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)波形成為高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)波形的互補(bǔ)波形。該模式可保持開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)恒定，但空載電池電流可能會(huì)達(dá)到10mA至50mA。

最小25kHz脈沖跳躍模式（超聲波模式）

將SKIP引腳懸空或連接到REF可激活超聲波脈沖跳躍模式，該模式的最低開(kāi)關(guān)頻率為25kHz，可減少輕負(fù)載時(shí)電源的音頻頻率調(diào)制。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電感選擇

電感值由開(kāi)關(guān)頻率和電感紋波電流比（LIR）決定，計(jì)算公式為(L=frac{V{OUT }left(V+-V{OUT }right)}{V+× f × LIR × I_{LOAD(MAX) }})。同時(shí)，要選擇低損耗、直流電阻盡可能低的電感，確保其在峰值電感電流下不會(huì)飽和。

電流限制確定

最小電流限制閾值必須能夠支持最大負(fù)載電流，計(jì)算公式為(LIMIT(LOW) > ILOAD(MAX) - [(LIR/2) × ILLOAD( MAX )])。

輸出電容選擇

輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）要足夠低，以滿足輸出紋波和負(fù)載瞬態(tài)要求，計(jì)算公式為(R{ESR} leq frac{V{P - P}}{LIR × I{LOAD(MAX) }})和(R{E S R} leq frac{V_{DIP }}{ LOAD(MAX) })。

穩(wěn)定性考慮

穩(wěn)定性由ESR零點(diǎn)頻率（fESR）與開(kāi)關(guān)頻率（f）的相對(duì)值決定，不穩(wěn)定的表現(xiàn)包括雙脈沖和快速反饋環(huán)路不穩(wěn)定?？赏ㄟ^(guò)施加快速負(fù)載瞬態(tài)并觀察輸出電壓紋波包絡(luò)來(lái)檢查穩(wěn)定性。

輸入電容選擇

輸入電容要滿足輸入紋波電流要求，輸入RMS電流計(jì)算公式為(I{RMS } approx I{LOAD }left(frac{sqrt{V{OUT {-}}left(V+-V{OUT {-}}right)}}{V_{+}}right))。優(yōu)先選擇非鉭電容，以降低ESR和提高抗上電浪涌電流能力。

功率MOSFET選擇

高側(cè)MOSFET的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗要在典型電池電壓下相等，以實(shí)現(xiàn)最大效率；同步整流器要選擇RDS(ON)盡可能低的型號(hào)。

整流器選擇

在同步整流器兩端并聯(lián)肖特基二極管，可降低正向電壓降，提高效率。二極管的直流電流額定值應(yīng)為負(fù)載電流的三分之一，反向擊穿電壓額定值要至少等于最大輸入電壓。

PCB布局指南

• 隔離敏感元件：使用接地屏蔽將電源組件與敏感模擬組件隔離開(kāi)，避免AC電流引入PGND3和PGND5接地平面。
• 采用星形接地：在電源平面使用星形接地連接，以最小化OUT3和OUT5之間的串?dāng)_。
• 縮短高電流路徑：保持高電流路徑短，特別是在接地端子處，以確保穩(wěn)定、無(wú)抖動(dòng)的操作。
• 合理布線：將高速開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（BST、DH、LX和DL）遠(yuǎn)離敏感模擬區(qū)域（REF、ILIM和FB），使用PGND3和PGND5作為EMI屏蔽。

應(yīng)用信息

降壓性能

連續(xù)導(dǎo)通操作的輸出電壓調(diào)整范圍受非可調(diào)的350ns（最大）最小關(guān)斷時(shí)間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器限制。在可調(diào)反饋模式下，使用較慢的5V SMPS作為兩個(gè)輸出電壓中較高的一個(gè)，可獲得最佳降壓性能。

耦合電感的使用

可使用耦合電感或變壓器創(chuàng)建輔助輸出，MAX1777/MAX1977/MAX1999適用于此類應(yīng)用，可配置為超聲波或強(qiáng)制PWM模式，以確保主電源輕載時(shí)的良好負(fù)載調(diào)節(jié)。

MAX1777/MAX1977/MAX1999系列電源控制器憑借其豐富的功能和出色的性能，為筆記本電腦的電源設(shè)計(jì)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇電感、電容、MOSFET等元件，并遵循PCB布局指南，以確保電源系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。大家在使用這些控制器時(shí)，是否遇到過(guò)一些獨(dú)特的問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。