探索MAX1973/MAX1974：超小型1A、1.4MHz降壓調(diào)節(jié)器的卓越性能

在當今電子設(shè)備不斷追求小型化、高效化的大趨勢下，電源管理芯片的性能愈發(fā)關(guān)鍵。今天我們要深入剖析的就是Maxim公司推出的兩款極具特色的降壓調(diào)節(jié)器——MAX1973和MAX1974，它們被譽為超小型1A、1.4MHz降壓調(diào)節(jié)器，擁有眾多引人矚目的特性和廣泛的應用場景。

文件下載：MAX1973.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX1973/MAX1974屬于恒定頻率為1.4MHz的脈沖寬度調(diào)制（PWM）電流模式降壓調(diào)節(jié)器。其輸入電壓范圍為2.6V至5.5V，輸出電壓既可以通過外部分壓器進行靈活調(diào)節(jié)，最低能設(shè)定到0.75V；也可以預設(shè)為1V、1.5V（僅MAX1974支持）、1.8V或2.5V（僅MAX1973支持），無需額外的外部電阻。

獨特特性

• 小巧的電路尺寸：電路占地面積僅0.19平方英寸，高度低至1.8mm，為設(shè)計緊湊的電子產(chǎn)品提供了極大便利。
• 高頻運作優(yōu)勢：固定的1.4MHz工作頻率使其能夠避開DSL頻段，確保穩(wěn)定運行，同時還具備快速的瞬態(tài)響應，并且允許使用小型外部組件。
• 高精度輸出：在負載、線路和溫度的工作范圍內(nèi)，輸出電壓精度可達±1%，為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定可靠的電源保障。
• 特色功能差異：MAX1973具備電壓裕量功能，能夠?qū)⑤敵鲭妷荷舷缕?%，方便進行電路板級生產(chǎn)測試；而MAX1974則提供POK輸出，用于指示輸出何時達到其標稱穩(wěn)壓電壓的90%。

二、工作原理深度解析

PWM控制策略

這兩款芯片采用了固定頻率的PWM電流模式控制方案。PWM電流模式控制器的核心是一個開環(huán)比較器，它會將積分電壓反饋信號與放大后的電流檢測信號和斜坡補償信號之和進行比較。在內(nèi)部時鐘的每個上升沿，內(nèi)部高端MOSFET開啟，直至PWM比較器觸發(fā)。在此期間，電流通過電感上升，為輸出提供電流并將能量存儲在磁場中。這種控制方式能夠有效調(diào)節(jié)電感的峰值電流，使電路如同一個開關(guān)模式跨導放大器，將輸出LC濾波器極點推至更高頻率，同時通過內(nèi)部斜坡補償信號確保內(nèi)環(huán)穩(wěn)定性，消除電感的階梯現(xiàn)象。

100%占空比運行

MAX1973/MAX1974具備在100%占空比下運行的能力。在此狀態(tài)下，高端P溝道MOSFET持續(xù)導通（不進行開關(guān)操作），此時的壓降電壓等于輸出電流乘以P溝道MOSFET的導通電阻（RDS(ON)P）和電感電阻（RL）之和，即VDROPOUT = IOUT ×（RDS(ON)P + RL）。

電流檢測與限流

電流檢測電路會放大由高端MOSFET的導通電阻和電感電流產(chǎn)生的電流檢測電壓。當這個放大后的電流檢測信號與內(nèi)部斜坡補償信號之和超過積分反饋電壓時，PWM比較器會關(guān)閉內(nèi)部高端MOSFET。內(nèi)部高端MOSFET的電流限制為1.6A（典型值），若LX流出的電流超過該最大值，高端MOSFET將關(guān)閉，同步整流MOSFET開啟，從而降低占空比，使輸出電壓下降，直至電流限制不再被突破。此外，同步整流器還有-0.85A的電流限制，以防止電流流入LX，當超過此負電流限制時，同步整流器關(guān)閉，電感電流通過高端MOSFET體二極管流回輸入，直至下一個周期開始或電感電流降至零。

軟啟動功能

為了減少電源浪涌電流，軟啟動電路在啟動期間通過一個20μA的電流源對SS電容進行充電，使輸出電壓逐漸上升。當SS達到其標稱值時，輸出進入完全穩(wěn)壓狀態(tài)。軟啟動時間（tSS）由公式tSS = (VSS / ISS) × CSS確定，其中VSS為軟啟動（參考）電壓（MAX1973為1.25V，MAX1974為0.75V），ISS為20μA，CSS為連接到SS的電容值。軟啟動在首次通電、設(shè)備退出關(guān)機狀態(tài)、欠壓鎖定（UVLO）或熱過載保護恢復時都會觸發(fā)。

欠壓鎖定（UVLO）

當VIN降至2.35V（典型值）以下時，MAX1973/MAX1974會判定電源電壓過低，無法提供有效的輸出電壓，此時UVLO電路會禁止開關(guān)操作。當VIN上升到2.4V以上時，UVLO功能禁用，軟啟動序列開始。

熱過載保護

熱過載保護功能能夠限制總功耗，保護IC在過載或短路情況下免受損壞。當IC結(jié)溫（TJ）超過+170°C時，設(shè)備會自動關(guān)閉；當結(jié)溫下降20°C后，設(shè)備再次開啟，從而在持續(xù)熱過載條件下實現(xiàn)脈沖輸出。

三、關(guān)鍵應用信息

輸出電壓選擇

輸出電壓可以設(shè)置為兩個預設(shè)值之一，或者通過外部電阻分壓器進行調(diào)整。對于預設(shè)輸出電壓，只需將FB連接到輸出，并將FBSEL連接到GND或IN以選擇所需的預設(shè)輸出電壓。若要設(shè)置為其他值，不連接FBSEL，將FB連接到分壓器，通過公式R1 = R2 × ((VOUT / VFB) - 1)計算R1的值。其中，MAX1973的VFB = 1.25V，輸出可低至1.25V；MAX1974的VFB = 0.75V，輸出可低至0.75V。不過，由于PWM電路的穩(wěn)定最小占空比為17%，這限制了可生成的最小輸出電壓為0.17 × VIN，當VIN/VOUT比率低于0.17時可能會導致不穩(wěn)定。

電感選擇

對于滿載（1A）應用，建議使用飽和電流至少為1.25A、電感值在2.2μH至4.7μH之間的電感。對于較低負載電流，可相應降低電感的電流額定值。一般來說，選擇電流額定值為最大所需輸出電流1.25倍的電感，并且為了獲得最佳效率，電感的直流電阻應盡可能小。電感值（LINIT）可通過公式LINIT = (VOUT × (VIN - VOUT)) / (VIN × LIR × IOUT(MAX) × fSW)計算，其中fSW為開關(guān)頻率（1.4 × 10?Hz），LIR為電感紋波電流占最大負載電流的百分比，建議保持在20%至40%之間以平衡成本、尺寸和性能。

電容選擇

• 輸入電容：推薦使用4.7μF的陶瓷輸入電容，因其具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL）和較低成本的優(yōu)點。為確保在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，建議選擇X5R或X7R電介質(zhì)。輸入電容能夠減少從電源汲取的峰值電流，降低電路開關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。其需滿足由開關(guān)電流決定的紋波電流要求（IRMS = (IOUT / VIN) × √(VOUT × (VIN - VOUT))），選擇在最大工作RMS電流下溫度上升小于10°C的電容，以保證長期可靠性。
• 輸出電容：同樣推薦使用4.7μF的陶瓷輸出電容，其低ESR、ESL和低成本特性使其成為理想選擇。X5R或X7R電介質(zhì)可確保在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。輸出電容的關(guān)鍵選擇參數(shù)包括電容值、ESR和電壓額定值，這些參數(shù)會影響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。輸出紋波由輸出電容存儲電荷的變化和電容ESR上的電壓降產(chǎn)生，可通過相關(guān)公式計算。負載瞬態(tài)響應取決于所選的輸出電容，在負載瞬變期間，輸出電壓會瞬間變化ESR × ?ILOAD，控制器響應后會將輸出電壓調(diào)節(jié)回標稱狀態(tài)，控制器響應時間取決于閉環(huán)帶寬，但為保持穩(wěn)定運行，帶寬不應高于fSW/10。

補償組件

內(nèi)部跨導誤差放大器用于補償控制回路。在COMP和GND之間連接一個串聯(lián)電阻和電容，形成一個零極點對，外部電感、輸出電容、補償電阻和補償電容共同決定了環(huán)路帶寬和穩(wěn)定性?？赏ㄟ^公式計算CC和RC的值，以優(yōu)化控制回路。例如，對于使用MAX1973輸出2.5V、最大輸出電流為1A的電路，可計算出CC和RC的近似值，并選擇最接近的標準值。

四、PCB布局要點

一個設(shè)計合理的PCB布局對于任何開關(guān)調(diào)節(jié)器都至關(guān)重要，特別是開關(guān)功率級。以下是一些PCB布局的關(guān)鍵準則：

• 盡可能將去耦電容靠近IC引腳放置，將電源接地平面（連接到PGND）和信號接地平面（連接到GND）分開，并在一點連接。
• 輸入和輸出電容連接到電源接地平面，其他電容連接到信號接地平面，走線應盡可能短而寬。
• 如有可能，將IN、LX和PGND分別連接到大面積焊盤，以幫助IC散熱，提高效率和長期可靠性。
• 確保所有反饋連接短而直接，反饋電阻（若使用）應盡可能靠近IC放置。
• 將高速開關(guān)節(jié)點（LX）遠離敏感模擬區(qū)域（FB、COMP、SS），避免信號干擾。

五、總結(jié)

MAX1973/MAX1974降壓調(diào)節(jié)器憑借其緊湊的尺寸、高效的性能和豐富的功能，為各種需要高效電源管理的應用提供了理想解決方案。無論是網(wǎng)絡設(shè)備、基站、調(diào)制解調(diào)器/路由器還是光學模塊等領(lǐng)域，它們都能發(fā)揮出色作用。在設(shè)計過程中，合理選擇和應用輸出電壓、電感、電容及補償組件，并遵循正確的PCB布局規(guī)則，將有助于充分發(fā)揮這兩款芯片的性能優(yōu)勢，打造出更穩(wěn)定、高效的電子系統(tǒng)。你在使用類似降壓調(diào)節(jié)器時遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。