MAX796/MAX797/MAX799：高性能CPU電源降壓控制器的深度剖析

引言

在當(dāng)今的電子設(shè)備中，尤其是電池供電的系統(tǒng)，高效穩(wěn)定的電源管理至關(guān)重要。MAX796/MAX797/MAX799系列降壓控制器憑借其出色的性能，為CPU電源提供了理想的解決方案。本文將深入探討這三款控制器的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能為電子工程師們?cè)陔娫丛O(shè)計(jì)方面提供有價(jià)值的參考。

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產(chǎn)品概述

基本特性

MAX796/MAX797/MAX799是高性能的降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，具備單輸出或雙輸出功能，專為電池供電系統(tǒng)中的CPU提供主電源。它們采用同步整流技術(shù)和Maxim的專有Idle Mode?控制方案，在滿載（高達(dá)10A）和空載輸出時(shí)都能實(shí)現(xiàn)96%的效率，有效延長(zhǎng)了電池壽命。同時(shí)，其出色的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力能夠在五個(gè)300kHz時(shí)鐘周期內(nèi)糾正最新動(dòng)態(tài)時(shí)鐘CPU引起的輸出瞬變。獨(dú)特的自舉電路可驅(qū)動(dòng)廉價(jià)的N溝道MOSFET，降低了系統(tǒng)成本，并消除了一些PMOS/NMOS開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)中存在的撬棍開(kāi)關(guān)電流。

產(chǎn)品對(duì)比

從表格中可以看出，三款產(chǎn)品的主輸出電壓可選3.3V、5V或可調(diào)，不同之處在于各自的特殊功能。MAX796可調(diào)節(jié)正的次級(jí)電壓，MAX797具備邏輯控制的低噪聲模式，而MAX799則用于調(diào)節(jié)負(fù)的次級(jí)電壓。

技術(shù)亮點(diǎn)

同步整流與Idle Mode?

同步整流技術(shù)通過(guò)用低電阻的MOSFET開(kāi)關(guān)替代普通的肖特基二極管，減少了整流器中的傳導(dǎo)損耗。而Idle Mode?控制方案在輕載時(shí)，通過(guò)可變頻率的脈沖跳躍模式，減少了MOSFET柵極電荷引起的損耗，提高了輕載效率。

動(dòng)態(tài)響應(yīng)

在面對(duì)最新動(dòng)態(tài)時(shí)鐘CPU引起的輸出瞬變時(shí)，這三款控制器能夠在五個(gè)300kHz時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行糾正。這種快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力確保了電源輸出的穩(wěn)定性，滿足了CPU對(duì)電源的高要求。

自舉電路

獨(dú)特的自舉電路使用一個(gè)連接到BST的100nF電容，為N溝道高端MOSFET提供超過(guò)電池電壓的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在啟動(dòng)時(shí)，同步整流器（低端MOSFET）將LX拉至0V，對(duì)BST電容充電至5V。在第二個(gè)半周期，PWM通過(guò)閉合BST和DH之間的內(nèi)部開(kāi)關(guān)來(lái)開(kāi)啟高端MOSFET，將5V的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)提升到電池電壓之上。

應(yīng)用領(lǐng)域

這些控制器廣泛應(yīng)用于筆記本和亞筆記本電腦、PDA和移動(dòng)通訊設(shè)備、手機(jī)等領(lǐng)域。在這些設(shè)備中，高效的電源管理對(duì)于延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間和提高系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電感值選擇

電感值的選擇需要在尺寸、成本和效率之間進(jìn)行權(quán)衡。較低的電感值可以減小尺寸和成本，但會(huì)因較高的峰值電流而降低效率；較高的電感值則可以提高效率，但可能會(huì)增加電阻損耗和影響負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。對(duì)于連續(xù)導(dǎo)通模式，可使用以下公式計(jì)算電感值： [L=frac{V{OUT }left(V{IN (MAX) }-V{OUT }right)}{V{IN(MAX) } × f × I{OUT } × LIR }] 其中，(f)為開(kāi)關(guān)頻率，(I{OUT})為最大直流負(fù)載電流，(LIR)為交流與直流電感電流之比，通常取0.3。

電流感測(cè)電阻值

電流感測(cè)電阻值根據(jù)最壞情況下的低電流限制閾值電壓和峰值電感電流計(jì)算： [RSENSE =frac{80 mV}{IPEAK }]

輸入和輸出電容值

輸入電容應(yīng)選擇低ESR的電容，以滿足輸入紋波電流要求。輸出濾波電容的選擇主要取決于ESR和電壓額定值，需滿足以下方程以確保穩(wěn)定性： [CF>frac{V{REF}left(1+V{OUT } / V{IN(MIN)}right)}{V{OUT } × RSENSE × f}] [RESR {OUT }}{V{REF }}]

變壓器設(shè)計(jì)（僅適用于MAX796/MAX799）

在buck - plus - flyback應(yīng)用中，需要設(shè)計(jì)變壓器來(lái)產(chǎn)生多個(gè)輸出電壓。需計(jì)算匝數(shù)比，并考慮變壓器的寄生參數(shù)，如繞組間電容、次級(jí)電阻和漏感等。

低電壓操作注意事項(xiàng)

在低輸入電壓和低輸入輸出壓差的情況下，需要特別注意設(shè)計(jì)。低輸入電壓可能導(dǎo)致VL線性穩(wěn)壓器進(jìn)入降壓模式，最終關(guān)閉自身；低輸入輸出壓差可能會(huì)導(dǎo)致多輸出反激應(yīng)用中的負(fù)載調(diào)節(jié)變差，以及在負(fù)載電流突然變化時(shí)輸出電壓下降?？赏ㄟ^(guò)增加輸出電容值來(lái)解決低電壓下降問(wèn)題。

PCB布局要點(diǎn)

良好的PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)指定的噪聲、效率和穩(wěn)定性性能至關(guān)重要。布局時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮以下幾點(diǎn)：

1. 首先放置高功率組件，確保電流感測(cè)電阻的走線長(zhǎng)度最短，高電流路徑的接地走線長(zhǎng)度最短，其他走線長(zhǎng)度也應(yīng)盡量縮短，并使用寬度大于5mm的走線。
2. 將IC和信號(hào)組件與主開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（LX節(jié)點(diǎn)）保持一定距離，避免干擾敏感的模擬組件。IC與電流感測(cè)電阻的距離不應(yīng)超過(guò)10mm，柵極驅(qū)動(dòng)走線（DH、DL和BST）應(yīng)短于20mm，并遠(yuǎn)離CSH、CSL、REF和SS。
3. 采用單點(diǎn)星形接地，使輸入接地走線、電源接地（子接地平面）和正常接地平面在電源的輸出接地端子處匯合。

總結(jié)

MAX796/MAX797/MAX799系列降壓控制器以其高效、穩(wěn)定的性能，為電池供電系統(tǒng)中的CPU電源設(shè)計(jì)提供了優(yōu)秀的解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電感、電容、MOSFET等組件，并注意PCB布局，以確保系統(tǒng)的性能和可靠性。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似控制器的設(shè)計(jì)難題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。