深入剖析MAX1970/MAX1971/MAX1972：高性能雙路降壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來深入探討一下MAXIM公司的MAX1970/MAX1971/MAX1972系列雙路降壓調(diào)節(jié)器，看看它在實(shí)際應(yīng)用中能為我們帶來哪些優(yōu)勢(shì)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX1970/MAX1971/MAX1972是一款雙路輸出、固定頻率、電流模式的PWM降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器。其中，MAX1970和MAX1972的開關(guān)頻率為1.4MHz，而MAX1971則為700kHz。兩路轉(zhuǎn)換器采用180°異相開關(guān)方式，有效降低了輸入紋波電流，同時(shí)高頻開關(guān)特性允許使用更小的電容進(jìn)行濾波和解耦。內(nèi)部同步整流器提高了效率，并且省去了典型的肖特基續(xù)流二極管。通過內(nèi)部MOSFET的導(dǎo)通電阻來感測(cè)開關(guān)電流，不僅控制和保護(hù)了MOSFET，還省去了電流感測(cè)電阻，進(jìn)一步提高了效率并降低了成本。

1. 輸入輸出特性

輸入電壓范圍為2.6V至5.5V，每路輸出能夠提供至少750mA的電流。輸出電壓可以通過外部反饋電阻在1.2V至VIN之間進(jìn)行編程，也可以預(yù)設(shè)為OUT1的1.8V或3.3V，以及OUT2的1.5V或2.5V。當(dāng)一個(gè)輸出高于1.2V時(shí)，另一個(gè)輸出可以配置到低于1V的水平，并且輸出精度在負(fù)載、線路和溫度變化范圍內(nèi)優(yōu)于±1%。

2. 關(guān)鍵特性

• 電流模式、1.4MHz固定頻率PWM操作：確保穩(wěn)定的輸出和高效的轉(zhuǎn)換。
• 180°異相操作：降低輸入電容的需求。
• ±1%的輸出精度：在不同負(fù)載、線路和溫度條件下都能保持穩(wěn)定。
• 750mA的保證輸出電流：滿足大多數(shù)應(yīng)用的功率需求。
• 上電復(fù)位（POR）功能：提供系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定啟動(dòng)。
• 電源故障輸出（PFO，僅MAX1970和MAX1972）：可用于檢測(cè)USB電源故障。
• 復(fù)位輸入（RSI，僅MAX1971）：允許軟件命令系統(tǒng)復(fù)位。
• 工作在xDSL頻段之外：避免干擾。
• 超緊湊設(shè)計(jì)：使用最小的外部組件。
• 輸出可在0.8V至VIN之間調(diào)節(jié)：或者預(yù)設(shè)為特定電壓。
• 全陶瓷電容應(yīng)用：提高穩(wěn)定性和可靠性。
• 軟啟動(dòng)功能：減少啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。

二、工作原理

1. DC - DC控制器

該系列芯片采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）電流模式控制方案。其核心是一個(gè)開環(huán)比較器，將集成的電壓反饋信號(hào)與放大的電流感測(cè)信號(hào)和斜率補(bǔ)償斜坡之和進(jìn)行比較。在內(nèi)部時(shí)鐘的每個(gè)上升沿，內(nèi)部高端MOSFET導(dǎo)通，直到PWM比較器觸發(fā)。在此期間，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。電流模式反饋系統(tǒng)根據(jù)輸出電壓誤差信號(hào)調(diào)節(jié)電感峰值電流，由于平均電感電流與峰值電感電流幾乎相同（假設(shè)電感值相對(duì)較高以最小化紋波電流），電路就像一個(gè)開關(guān)模式跨導(dǎo)放大器，將通常在電壓模式PWM中出現(xiàn)的輸出LC濾波器極點(diǎn)推到更高頻率。為了保持內(nèi)環(huán)穩(wěn)定性并消除電感階梯效應(yīng)，將斜率補(bǔ)償斜坡加入到主PWM比較器中。在周期的后半段，內(nèi)部高端MOSFET關(guān)閉，內(nèi)部低端n溝道MOSFET導(dǎo)通，電感釋放存儲(chǔ)的能量，同時(shí)仍為輸出提供電流。

2. 電流感測(cè)

電流感測(cè)電路放大由高端MOSFET的導(dǎo)通電阻和電感電流（RDS(ON) × IINDUCTOR）產(chǎn)生的電流感測(cè)電壓。這個(gè)放大的電流感測(cè)信號(hào)和內(nèi)部斜率補(bǔ)償信號(hào)被一起加到PWM比較器的反相輸入端。當(dāng)這個(gè)和超過集成的反饋電壓時(shí)，PWM比較器關(guān)閉內(nèi)部高端MOSFET。

3. 電流限制

內(nèi)部MOSFET的電流限制為1.2A（典型值）。如果從LX_流出的電流超過這個(gè)最大值，高端MOSFET關(guān)閉，同步整流器MOSFET導(dǎo)通，降低占空比并導(dǎo)致輸出電壓下降，直到電流限制不再被超過。此外，還有一個(gè)同步整流器電流限制為 - 0.85A，用于保護(hù)器件免受電流流入LX_的影響。

三、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 輸出電壓選擇

輸出電壓可以通過三種方式進(jìn)行選擇：

• 預(yù)設(shè)電壓：通過將FBSEL_連接到VCC或GND，可以將OUT1設(shè)置為3.3V或1.8V，將OUT2設(shè)置為2.5V或1.5V。
• 外部電阻分壓器：當(dāng)FBSEL_懸空時(shí)，可以使用外部電阻分壓器將每個(gè)輸出設(shè)置為1.2V至VIN之間的任意電壓。計(jì)算公式為 (R_a = Rb times [frac{V{OUT}}{1.2} - 1]) ，其中 (R_a) 是從FB_到OUT_的電阻， (R_b) 是從FB_到GND的電阻。
• 低于1.2V的輸出設(shè)置：如果要將一個(gè)輸出設(shè)置為低于1.2V，另一個(gè)輸出必須高于1.2V。通過連接電阻R1從FB1到OUT1，連接電阻R2從FB1到OUT2，并滿足 (R1 = R2 frac{V{OUT1} - 1.2}{1.2 - V{OUT2}}) ，同時(shí)確保電流約為100μA。

2. 電感值選擇

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，建議使用3.3μH至6.8μH的電感，飽和電流至少為800mA。為了獲得最佳效率，電感的直流電阻應(yīng)小于100mΩ，飽和電流應(yīng)大于1A。合理的電感值可以通過公式 (L{INIT} = frac{V{OUT}(V{IN} - V{OUT})}{V{IN} × LIR × I{OUT(MAX)} × t_{osc}}) 計(jì)算，其中LIR為電感電流紋波百分比，建議保持在最大負(fù)載電流的20%至40%之間。

3. 電容選擇

• 輸入電容：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。建議使用陶瓷電容，因?yàn)樗哂械偷刃Т?lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL）和較低的成本。電容應(yīng)滿足由開關(guān)電流定義的紋波電流要求（IRMS），計(jì)算公式為 (RMS = frac{1}{V{IN}} sqrt{2 × V{OUT1}(V{IN} - V{OUT2})}) 。
• 輸出電容：輸出電容的關(guān)鍵選擇參數(shù)包括電容值、ESR、ESL和電壓額定要求，這些參數(shù)會(huì)影響DC - DC轉(zhuǎn)換器的整體穩(wěn)定性、輸出紋波電壓和瞬態(tài)響應(yīng)。輸出紋波由輸出電容存儲(chǔ)的電荷變化、電容ESR引起的電壓降和電容ESL引起的電壓降組成，計(jì)算公式分別為 (V{RIPPLE(C)} = frac{IP - P}{8 × C{OUT} × f{SW}}) 、 (V{RIPPLE(ESR)} = l{P - P} × ESR) 和 (V{RIPPLE(ESL)} = (IP - P/TON) × ESL) （或 ((IP - P/TOFF) × ESL) ，取較大值），其中IP - P為電感電流峰 - 峰值。

4. 補(bǔ)償設(shè)計(jì)

內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器用于補(bǔ)償控制回路。在COMP和GND之間連接一個(gè)串聯(lián)電阻和電容，形成一個(gè)零極點(diǎn)對(duì)。外部電感、內(nèi)部高端MOSFET、輸出電容、補(bǔ)償電阻和補(bǔ)償電容決定了環(huán)路穩(wěn)定性。為了獲得最佳穩(wěn)定性和響應(yīng)性能，閉環(huán)單位增益頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于調(diào)制器極點(diǎn)頻率，并且大約為50kHz。通過公式可以計(jì)算補(bǔ)償電阻 (R{C} = frac{V{O}}{gm{EA} × V{FB} × G{MOD(fc)}}) 和補(bǔ)償電容 (C{C} = V{OUT} × frac{C{OUT}}{R{C} × I{OUT(MAX)}}) 。

四、應(yīng)用注意事項(xiàng)

1. PCB布局

PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)干凈穩(wěn)定的操作至關(guān)重要。特別是開關(guān)功率級(jí)，需要特別注意以下幾點(diǎn)：

• 盡可能將去耦電容靠近IC引腳放置。
• 保持功率接地平面（連接到PGND）和信號(hào)接地平面（連接到GND）分開，并通過PGND到GND的單個(gè)連接將兩個(gè)接地平面連接在一起。
• 輸入和輸出電容連接到功率接地平面，其他電容連接到信號(hào)接地平面。
• 保持高電流路徑盡可能短而寬。
• 如果可能，將IN、LX1、LX2和PGND分別連接到一個(gè)大的焊盤區(qū)域，以幫助冷卻IC，提高效率和長(zhǎng)期可靠性。
• 確保所有反饋連接短而直接，將反饋電阻盡可能靠近IC放置。
• 避免將高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)靠近敏感的模擬區(qū)域（FB1、FB2、COMP1、COMP2）。

2. 其他特性

• 軟啟動(dòng)：為了減少電源浪涌電流，軟啟動(dòng)電路在啟動(dòng)期間使輸出電壓斜坡上升。通過一個(gè)25μA的電流源對(duì)REF電容充電，當(dāng)REF達(dá)到1.2V時(shí)，輸出進(jìn)入完全調(diào)節(jié)狀態(tài)。軟啟動(dòng)時(shí)間由 (t{SS} = frac{V{REF}}{I{REF}} C{REF} = 4.8 × 10^{4} × C_{REF}) 確定，CREF的電容值范圍為0.01μF至1.0μF。
• 欠壓鎖定（UVLO）：如果VCC下降到2.35V以下，芯片會(huì)認(rèn)為電源電壓過低，無法提供有效的輸出電壓，UVLO電路會(huì)禁止開關(guān)操作。當(dāng)VCC上升到2.4V以上時(shí)，UVLO被禁用，軟啟動(dòng)序列開始。
• 使能功能：提供邏輯使能輸入（EN），正常操作時(shí)將EN驅(qū)動(dòng)為高電平，驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)關(guān)閉兩個(gè)輸出，并將輸入電源電流降低到約1μA。
• 電源故障輸出（PFO）：當(dāng)VCC下降到3.94V以下時(shí)，PFO輸出變?yōu)楦唠娖剑捎糜跈z測(cè)有效的USB輸入電壓。建議使用10kΩ至100kΩ的上拉電阻將PFO連接到VCC或任一輸出。
• 上電復(fù)位（POR）：POR提供系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。上電時(shí)，POR保持低電平，直到兩個(gè)輸出達(dá)到其調(diào)節(jié)電壓的92%，然后保持低電平一段時(shí)間（MAX1970為16.6ms，MAX1971和MAX1972為175ms），之后變?yōu)楦唠娖健?/li>
• 復(fù)位輸入（RSI，僅MAX1971）：當(dāng)RSI驅(qū)動(dòng)為高電平時(shí)，強(qiáng)制POR變?yōu)榈碗娖健．?dāng)RSI變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，POR會(huì)經(jīng)歷一個(gè)與上電事件相同的延遲時(shí)間。
• 熱過載保護(hù)：當(dāng)IC的結(jié)溫超過 + 170°C時(shí)，熱傳感器會(huì)關(guān)閉器件，使其冷卻。當(dāng)結(jié)溫下降20°C后，熱傳感器會(huì)再次開啟器件，在連續(xù)過載條件下會(huì)導(dǎo)致脈沖輸出。

五、總結(jié)

MAX1970/MAX1971/MAX1972系列雙路降壓調(diào)節(jié)器憑借其高性能、高集成度和豐富的特性，在xDSL調(diào)制解調(diào)器、xDSL路由器、銅千兆SFP和GBIC模塊、USB供電設(shè)備以及雙LDO替換等應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇輸出電壓、電感值、電容值，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償設(shè)計(jì)和PCB布局，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。