MAX1964/MAX1965 電源控制器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

引言

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理是至關(guān)重要的一環(huán)。對(duì)于成本敏感且對(duì)電壓排序/跟蹤有要求的應(yīng)用，如電纜調(diào)制解調(diào)器、xDSL 設(shè)備和機(jī)頂盒等，MAX1964/MAX1965 電源控制器提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。今天我們就來深入探討這兩款控制器的特點(diǎn)、工作原理、設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及應(yīng)用案例。

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MAX1964/MAX1965 概述

基本功能

MAX1964 和 MAX1965 是專為滿足成本敏感型應(yīng)用的電壓排序/跟蹤需求而設(shè)計(jì)的電源控制器。它們可以在低成本、未穩(wěn)壓的直流電源（如壁式適配器輸出）下工作，其中 MAX1964 可產(chǎn)生三個(gè)正輸出，MAX1965 能產(chǎn)生四個(gè)正輸出和一個(gè)負(fù)輸出，為系統(tǒng)提供了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電源解決方案。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MAX1964 包含一個(gè)電流模式同步降壓控制器和兩個(gè)正調(diào)節(jié)器增益塊，而 MAX1965 在此基礎(chǔ)上多了一個(gè)正增益塊和一個(gè)負(fù)調(diào)節(jié)器增益塊。主同步降壓控制器可產(chǎn)生高電流輸出，預(yù)設(shè)為 3.3V，也可通過外部電阻分壓器在 1.236V 至 0.75 × VIN 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其 200kHz 的工作頻率允許使用低成本的鋁電解電容器和功率磁性元件。

關(guān)鍵特性分析

輸入電壓范圍

這兩款控制器的輸入電壓范圍為 4.5V 至 28V，能適應(yīng)多種電源輸入，為不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了靈活性。

DC - DC 降壓轉(zhuǎn)換器

• 輸出電壓可調(diào)：既可以預(yù)設(shè)為 3.3V，也能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足不同負(fù)載對(duì)電壓的需求。
• 固定頻率 PWM 控制：200kHz 的固定頻率 PWM 控制器，有助于減少電磁干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 無電流檢測(cè)電阻：通過檢測(cè)低端 MOSFET 的導(dǎo)通電阻上的電壓來提供電流限制信號(hào)，避免了使用昂貴的電流檢測(cè)電阻，降低了成本。
• 可調(diào)電流限制：用戶可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整電流限制閾值，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可靠性。
• 高效軟啟動(dòng)：高達(dá) 95% 的效率和軟啟動(dòng)功能，可減少啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，保護(hù)電路元件。

  模擬增益塊

• 正模擬塊：驅(qū)動(dòng)低成本的 PNP 通晶體管，構(gòu)建正線性穩(wěn)壓器，可直接從主降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生低電壓軌，或通過降壓轉(zhuǎn)換器的耦合繞組產(chǎn)生更高電壓。
• 負(fù)模擬塊（僅 MAX1965）：驅(qū)動(dòng)低成本的 NPN 通晶體管，構(gòu)建負(fù)線性穩(wěn)壓器，可產(chǎn)生 -5V、 -12V 或 -15V 等負(fù)電壓。

  電源良好指示

  提供電源良好輸出（POK），可監(jiān)測(cè)所有輸出電壓，方便用戶了解系統(tǒng)的電源狀態(tài)。

  電壓排序/跟蹤

  MAX1964 具有電壓排序功能，MAX1965 具有電壓跟蹤功能，確保系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中各電源的電壓按順序或同步上升，避免因電壓異常導(dǎo)致的設(shè)備損壞。

工作原理詳解

DC - DC 控制器

采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）電流模式控制方案。內(nèi)部跨導(dǎo)放大器在 COMP 引腳建立積分誤差電壓，電流模式 PWM 控制器的核心是一個(gè)開環(huán)比較器，它將積分電壓反饋信號(hào)與放大的電流檢測(cè)信號(hào)加上斜率補(bǔ)償斜坡進(jìn)行比較。在內(nèi)部時(shí)鐘的每個(gè)上升沿，高端 MOSFET 導(dǎo)通，直到 PWM 比較器觸發(fā)或達(dá)到最大占空比。在導(dǎo)通期間，電流通過電感上升，為輸出提供電流并在磁場(chǎng)中存儲(chǔ)能量。在周期的后半部分，高端 MOSFET 關(guān)閉，低端 N 溝道 MOSFET 導(dǎo)通，電感釋放存儲(chǔ)的能量，為輸出提供電流。

電流檢測(cè)放大器

放大由高端 MOSFET 的導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的電流檢測(cè)電壓，該放大信號(hào)與內(nèi)部斜率補(bǔ)償信號(hào)相加后輸入到 PWM 比較器的反相輸入端，當(dāng)該和超過積分反饋電壓時(shí)，PWM 比較器關(guān)閉高端 MOSFET。

電流限制電路

采用獨(dú)特的“谷值”電流限制算法，使用低端 MOSFET 的導(dǎo)通電阻作為傳感元件。如果在新的振蕩器周期開始時(shí)，低端 MOSFET 上的電壓超過電流限制閾值，MAX1964/MAX1965 將不會(huì)開啟高端 MOSFET。在可調(diào)模式下，電流限制閾值電壓約為 ILIM 引腳電壓的五分之一。

同步整流驅(qū)動(dòng)器（DL）

同步整流通過用低電阻 MOSFET 開關(guān)代替普通肖特基續(xù)流二極管，降低了整流器中的傳導(dǎo)損耗。DL 低端驅(qū)動(dòng)波形始終是 DH 高端驅(qū)動(dòng)波形的互補(bǔ)（具有受控的死區(qū)時(shí)間，以防止交叉導(dǎo)通）。

高端柵極驅(qū)動(dòng)電源（BST）

高端 N 溝道開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓由飛跨電容升壓電路產(chǎn)生。在啟動(dòng)時(shí)，同步整流器（低端 MOSFET）將 LX 接地，將升壓電容充電至 5V。在第二個(gè)半周期，開關(guān)電源通過閉合 BST 和 DH 之間的內(nèi)部開關(guān)開啟高端 MOSFET，為高端開關(guān)提供必要的柵源電壓。

內(nèi)部 5V 線性穩(wěn)壓器（VL）

除電流檢測(cè)放大器外，MAX1964/MAX1965 的所有功能均由片上低壓差 5V 穩(wěn)壓器內(nèi)部供電。其最大輸入電壓為 28V，輸出（VL）需用至少 1μF 的陶瓷電容旁路到地。

欠壓鎖定

當(dāng) VL 降至 3.5V 以下時(shí)，欠壓鎖定（UVLO）電路將禁止開關(guān)操作，強(qiáng)制 POK 為低電平，并將 DL 和 DH 柵極驅(qū)動(dòng)器拉低。當(dāng) VL 上升到 3.5V 以上時(shí)，控制器將啟動(dòng)輸出。

啟動(dòng)

當(dāng) VL 上升到 3.5V 欠壓鎖定閾值以上時(shí)，MAX1964/MAX1965 開始外部切換。但只有當(dāng)滿足四個(gè)條件（VL 超過 3.5V 欠壓鎖定閾值、內(nèi)部參考電壓超過其標(biāo)稱值的 92%、內(nèi)部偏置電路啟動(dòng)、未超過熱限制）時(shí)，控制器才會(huì)啟用。啟動(dòng)時(shí)，軟啟動(dòng)電路將逐漸上升到參考電壓，以控制降壓控制器的上升速率，減少啟動(dòng)時(shí)的輸入浪涌電流。

輸出電壓排序（MAX1964）

參考電源啟動(dòng)后，主 DC - DC 降壓轉(zhuǎn)換器首先通過軟啟動(dòng)啟動(dòng)，當(dāng)達(dá)到其標(biāo)稱值的 92% 且軟啟動(dòng)完成后，第一個(gè)正線性穩(wěn)壓器啟動(dòng)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線性穩(wěn)壓器達(dá)到其標(biāo)稱值的 92% 時(shí)，第二個(gè)線性穩(wěn)壓器啟動(dòng)。當(dāng)所有三個(gè)輸出電壓都超過其標(biāo)稱值的 92% 時(shí)，電源良好信號(hào)（POK）變?yōu)楦唠娖健?/p>

輸出電壓跟蹤（MAX1965）

參考電源啟動(dòng)后，控制器同時(shí)啟動(dòng)所有五個(gè)輸出電壓。主 DC - DC 降壓轉(zhuǎn)換器通過軟啟動(dòng)啟動(dòng)，而線性穩(wěn)壓器則完全激活。由于線性穩(wěn)壓器的輸入通常連接或派生自降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，因此這些輸出電壓將跟蹤降壓轉(zhuǎn)換器緩慢上升的輸出電壓。當(dāng)所有五個(gè)輸出電壓都超過其標(biāo)稱值的 92% 時(shí)，電源良好信號(hào)（POK）變?yōu)楦唠娖健?/p>

電源良好輸出（POK）

POK 是一個(gè)開漏輸出，當(dāng)任何輸出電壓低于其標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的 90% 時(shí)，MOSFET 導(dǎo)通，將 POK 拉低。當(dāng)所有輸出電壓都超過其標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的 92% 且軟啟動(dòng)完成后，POK 變?yōu)楦咦钁B(tài)。為了獲得邏輯電壓輸出，可將上拉電阻從 POK 連接到 VL。

熱過載保護(hù)

當(dāng)結(jié)溫超過 160°C 時(shí)，熱傳感器將關(guān)閉設(shè)備，強(qiáng)制 DL 和 DH 為低電平，使 IC 冷卻。當(dāng)結(jié)溫下降 15°C 后，熱傳感器將再次開啟設(shè)備，在連續(xù)熱過載條件下會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出。如果 VL 輸出短路，熱過載保護(hù)將被禁用。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

DC - DC 降壓轉(zhuǎn)換器

• 輸出電壓選擇：可將 FB 連接到地以獲得預(yù)設(shè)的 3.3V 輸出電壓，也可通過連接電壓分壓器從輸出到 FB 再到地來調(diào)節(jié)輸出電壓。
• 電感值選擇：關(guān)鍵電感參數(shù)包括恒定 LIR（電感峰峰值交流電流與直流負(fù)載電流之比）、電感值（L）、峰值電流（IPEAK）和直流電阻（RDC）。一般選擇 30% 的紋波電流與負(fù)載電流比（LIR = 0.3）作為折衷方案，根據(jù)公式 (L=frac{V{OUT}(V{IN}-V{OUT})}{V{IN}f_{SWLOAD(MAX)}LIR}) 計(jì)算電感值。同時(shí)要選擇具有最低可能直流電阻且飽和額定值超過峰值電感電流的低損耗電感。
• 設(shè)置電流限制：將 ILIM 連接到 VL 可獲得默認(rèn)的 250mV（典型值）電流限制閾值，也可通過連接電阻分壓器從 VL 到 ILIM 再到地進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)使用 1% 容差的電阻和 10μA 的分壓器電流，以防止電流限制容差顯著增加。
• MOSFET 選擇：高側(cè) N 溝道 MOSFET 必須是邏輯電平類型，保證在 (V{GS} ≤ 4.5V) 時(shí)有導(dǎo)通電阻規(guī)格，且 (I{PEAK} × R{DS(ON)} ≤ 225 mV) 。低側(cè) MOSFET 的 (R{DS(ON)}) 要足夠大以提供適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)，可根據(jù)公式 (R{DS(ON)}=frac{V{VALLEY}}{I_{VALLEY}}) 選擇。同時(shí)要考慮 MOSFET 的最大漏源電壓、最小閾值電壓、總柵極電荷和反向傳輸電容等參數(shù)，以及 MOSFET 封裝的功率耗散。
• 輸入電容選擇：輸入濾波電容用于減少?gòu)碾娫醇橙〉姆逯惦娏鳎档碗娐烽_關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。根據(jù)公式 (I{RMS}=I{LOAD}frac{sqrt{V{OUT}(V{IN}-V{OUT})}}{V{IN}}) 計(jì)算紋波電流要求，選擇能承受該紋波電流且在 RMS 輸入電流下溫度上升小于 +10°C 的電容，一般優(yōu)先選擇非鉭電容。
• 輸出電容選擇：關(guān)鍵參數(shù)包括實(shí)際電容值、等效串聯(lián)電阻（ESR）和額定電壓。輸出紋波由電容存儲(chǔ)電荷的變化和電容 ESR 上的電壓降組成，為了最小化輸出紋波，需要選擇高質(zhì)量的低 ESR 電容，如鋁電解電容與陶瓷電容并聯(lián)使用。同時(shí)，輸出電容的 ESR 會(huì)影響電路的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)，對(duì)于有嚴(yán)格瞬態(tài)要求的應(yīng)用，建議使用低 ESR 高電容的電解電容。
• 補(bǔ)償設(shè)計(jì)：使用內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器的輸出進(jìn)行控制環(huán)路的補(bǔ)償。通過在 COMP 和地之間連接串聯(lián)電阻和電容形成零極點(diǎn)對(duì)，再連接第二個(gè)并聯(lián)電容形成另一個(gè)極點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)的直流環(huán)路增益和開關(guān)頻率等參數(shù)，確定補(bǔ)償元件的值，以確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，交叉頻率應(yīng)小于開關(guān)頻率的五分之一，根據(jù)誤差放大器的跨導(dǎo)和直流環(huán)路增益計(jì)算串聯(lián)補(bǔ)償電容的值，通過輸出電容和負(fù)載電阻確定極點(diǎn)位置，再根據(jù)情況添加并聯(lián)補(bǔ)償電容來抵消輸出電容 ESR 產(chǎn)生的零點(diǎn)。

  線性調(diào)節(jié)器

• 正輸出電壓選擇：通過連接電壓分壓器從輸出到 FB 再到地來設(shè)置正線性調(diào)節(jié)器的輸出電壓，根據(jù)公式 (R3 = R4[(frac{V{OUT}}{V{FB}}) - 1]) 計(jì)算電阻值，其中 (V{FB}=1.24V) ，Vout 范圍為 1.24V 至 30V。
• 負(fù)輸出電壓選擇（僅 MAX1965）：通過連接電壓分壓器從輸出到 FB5 再到正電壓參考來設(shè)置負(fù)輸出電壓，根據(jù)公式 (R5 = R6(frac{V{OUT}}{V{REF}})) 計(jì)算電阻值，其中 Vref 是使用的正參考電壓，Vout 可設(shè)置在 0 至 -20V 之間。如果使用負(fù)調(diào)節(jié)器，OUT 引腳必須連接到 2V 至 5V 的電壓源，且該電源至少能提供 25mA 的電流。
• 晶體管選擇：通晶體管需要滿足電流增益、輸入電容、集電極 - 發(fā)射極飽和電壓和功率耗散等規(guī)格要求。晶體管的電流增益會(huì)影響最大輸出電流和線性調(diào)節(jié)器的直流環(huán)路增益，過高的增益可能導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定。同時(shí)，要考慮晶體管的輸入電容和輸入電阻對(duì)電路穩(wěn)定性的影響，以及晶體管在最大輸出電流下的飽和電壓和封裝的功率耗散能力。
• 穩(wěn)定性要求：線性調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性由內(nèi)部跨導(dǎo)放大器、通晶體管的規(guī)格、基極 - 發(fā)射極電阻和輸出電容等因素決定。通過計(jì)算輸出電容和負(fù)載電阻設(shè)置的主導(dǎo)極點(diǎn)、基極 - 發(fā)射極電容設(shè)置的第二個(gè)極點(diǎn)以及反饋電阻和電容設(shè)置的第三個(gè)極點(diǎn)，確保在單位增益交叉點(diǎn)之后第二個(gè)和第三個(gè)極點(diǎn)出現(xiàn)，以保證線性調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性。如果輸出電容的 ESR 產(chǎn)生的零點(diǎn)在單位增益交叉點(diǎn)之前出現(xiàn)，需要通過調(diào)整電路元件來消除該零點(diǎn)。
• 線性調(diào)節(jié)器輸出電容：在輸出和地之間至少連接 1μF 的電容，并盡可能靠近 MAX1964/MAX1965 和外部通晶體管。根據(jù)所選通晶體管，可能需要更大的電容值以確保穩(wěn)定性，同時(shí)要選擇 ESR 小于 200mΩ 的輸出電容，以保證穩(wěn)定性和最佳瞬態(tài)響應(yīng)。
• 基極驅(qū)動(dòng)降噪：高阻抗基極驅(qū)動(dòng)器容易受到系統(tǒng)噪聲的影響，特別是在輕負(fù)載時(shí)。為了減少噪聲耦合，應(yīng)使基極驅(qū)動(dòng)走線遠(yuǎn)離降壓轉(zhuǎn)換器并盡量縮短，可在柵極驅(qū)動(dòng)器（DH 和 DL）上串聯(lián)電阻以減少降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的 LX 開關(guān)噪聲，也可在基極 - 發(fā)射極電阻上并聯(lián)旁路電容，但要注意該電容可能會(huì)引入第二個(gè)極點(diǎn)，影響線性調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性，需要根據(jù)穩(wěn)定性要求確定最大基極 - 發(fā)射極電容。

  變壓器選擇

  在需要更高電壓輸出的系統(tǒng)中，可使用變壓器為正、負(fù)線性調(diào)節(jié)器提供電源。變壓器的匝數(shù)比決定了未穩(wěn)壓的高電壓電源的輸出，根據(jù)正、負(fù)輸出電壓的不同要求，分別計(jì)算所需的最小匝數(shù)比。由于功率傳輸發(fā)生在低端 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，變壓器不能支持高占空比的重負(fù)載。

  緩沖器設(shè)計(jì)

  MAX1964/MAX1965 采用電流模式控制方案，在高端 MOSFET 導(dǎo)通后，使用 60ns 的電流檢測(cè)消隱期來減少噪聲敏感度。但 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，變壓器的次級(jí)電感和二極管的寄生電容會(huì)形成諧振電路，導(dǎo)致振鈴現(xiàn)象。為了減少這種振鈴，可在二極管處添加串聯(lián) RC 緩沖器電路，通過增加阻尼系數(shù)使振鈴迅速衰減。對(duì)于有多個(gè)變壓器繞組的應(yīng)用，只需在最高輸出電壓上設(shè)置一個(gè)緩沖器電路。

應(yīng)用案例與注意事項(xiàng)

典型應(yīng)用電路

文檔中給出了 MAX1964 和 MAX1965 的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路，展示了如何將各個(gè)元件連接在一起以實(shí)現(xiàn)電源控制功能。在設(shè)計(jì)實(shí)際電路時(shí)，可以參考這些典型電路，并根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)整。

PC 板布局指南

• 合理放置功率元件，使接地端子相鄰，保持高電流路徑短，特別是接地端子處。
• 將 MAX1964/MAX1965 靠近開關(guān) MOSFET 安裝，確保 IN - LX 電流檢測(cè)線、LX - GND 電流限制檢測(cè)線和驅(qū)動(dòng)器線（DL 和 DH）短而寬，并使用 Kelvin 檢測(cè)連接以保證電流檢測(cè)和電流限制的準(zhǔn)確性。
• 分組安裝柵極驅(qū)動(dòng)組件，使其靠近 MAX1964/MAX1965。
• 所有模擬接地應(yīng)連接到單獨(dú)的實(shí)心銅接地平面，并在 GND 引腳處連接到 MAX1964/MAX1965。
• 確保所有反饋連接短而直接，將反饋電阻盡量靠近 MAX1964/MAX1965 放置。
• 在布線長(zhǎng)度需要權(quán)衡時(shí)，優(yōu)先保證電感放電路徑短，而不是充電路徑。
• 避免高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)靠近敏感模擬區(qū)域。

  調(diào)節(jié)高電壓

  通過添加共源共柵晶體管來緩沖基極驅(qū)動(dòng)輸出，可以配置線性調(diào)節(jié)器控制器以調(diào)節(jié)高輸出電壓。對(duì)于正輸出電壓，可添加 2N5550 高壓 NPN 晶體管；對(duì)于負(fù)輸出電壓，可添加 2N5401 高壓 PNP 晶體管。

  模擬電路的輸出濾波

  對(duì)于需要同時(shí)產(chǎn)生模擬和功率輸出的應(yīng)用，可以在模擬輸出上添加 LC 濾波器來過濾噪聲，使一個(gè)輸出電壓既能提供模擬輸出又能提供功率輸出。選擇合適的 LC 轉(zhuǎn)折頻率以提供所需的衰減，并確保濾波器電感和輸出濾波器電容能對(duì)輸出瞬態(tài)產(chǎn)生過阻尼響應(yīng)。

總結(jié)

MAX1964/MAX1965 電源控制器以其豐富的功能、高效的性能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為電子工程師在電源管理設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，需要綜合考慮各種因素，如元件選擇、電路布局、穩(wěn)定性分析等，以確保系統(tǒng)的可靠性和性能。通過深入了解其工作原理和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，我們可以更好地發(fā)揮這兩款控制器的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出滿足需求的電源解決方案。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。