MAX1980：多相 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的高效從控制器

在電子設(shè)計領(lǐng)域，低電壓、高電流的多相 DC - DC 應(yīng)用一直是一個重要的研究方向。為了滿足這一應(yīng)用需求，Maxim 推出了 MAX1980 降壓從控制器。它能與 Maxim 的 Quick - PWM 降壓主控制器配合，組成高性能的多相 DC - DC 轉(zhuǎn)換器。下面就為大家詳細(xì)介紹這款從控制器。

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芯片概述

MAX1980 是一款專門為低電壓、高電流、多相 DC - DC 應(yīng)用設(shè)計的降壓從控制器。它可以與任何 Maxim 的 Quick - PWM 降壓控制器結(jié)合，形成多相 DC - DC 轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)有的 Quick - PWM 控制器，如 MAX1718，可作為主控制器，提供精確的輸出電壓調(diào)節(jié)、快速的瞬態(tài)響應(yīng)和故障保護(hù)功能。而 MAX1980 同步于主控制器的低側(cè)柵極驅(qū)動器，具備 Quick - PWM 恒定導(dǎo)通時間控制器、同步整流器的柵極驅(qū)動器、有源電流平衡和精確的電流限制電路。

核心特性

高效與精準(zhǔn)的電流控制

• 精確的有源電流平衡：MAX1980 通過跨導(dǎo)放大器對主從電流檢測信號進(jìn)行積分，能精確平衡電感電流，電流平衡誤差僅為 ±1.25mV。這種精確的平衡控制使得多相系統(tǒng)中各相的負(fù)載分配更加均勻，降低了單個元件的應(yīng)力，提高了系統(tǒng)的整體可靠性和效率。
• 精確的電流限制：采用獨特的“谷值”電流檢測算法，能有效防止過流情況的發(fā)生。其電流限制閾值可通過 ILIM 輸入進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，在 400mV 至 1.5V 的 ILIM 電壓范圍內(nèi)，電流限制閾值電壓為 0.1 × VILIM。同時，還具備負(fù)電流限制功能，可防止輸出端吸收電流時電感電流反向過大。

靈活的工作模式

• 驅(qū)動禁用模式：當(dāng) (overline{DD}) 引腳為低電平時，MAX1980 會禁用驅(qū)動器（DL 和 DH 輸出為低），使主控制器在輕載條件下進(jìn)入低功耗脈沖跳躍模式，提高了輕載效率。而當(dāng) (overline{DD}) 為高電平時，MAX1980 則恢復(fù)正常的 PWM 工作模式。
• 可選的觸發(fā)極性和開關(guān)頻率：通過設(shè)置 POL 引腳，可以選擇在主控制器低側(cè)柵極驅(qū)動器的上升沿（異相操作）或下降沿（同相操作）觸發(fā)新的周期。此外，MAX1980 還提供 200kHz/300kHz/550kHz 三種可選的開關(guān)頻率，方便設(shè)計師根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。

寬輸入電壓范圍與低功耗

• 寬輸入電壓范圍：支持 4V 至 28V 的電池輸入范圍，適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。
• 低功耗設(shè)計：正常工作時的靜態(tài)電流較低，例如 VCC 的靜態(tài)電流典型值為 525μA；在待機(jī)模式下，功耗更低，VCC 的待機(jī)電流典型值僅為 20μA，有助于降低系統(tǒng)的整體功耗。

關(guān)鍵技術(shù)原理

導(dǎo)通時間控制與有源電流平衡

MAX1980 采用恒定導(dǎo)通時間、電壓前饋架構(gòu)。其高端開關(guān)的導(dǎo)通時間由一個單穩(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，與補(bǔ)償電壓（VCOMP）成正比。通過兩個相同的跨導(dǎo)放大器對主從電流檢測信號的差值進(jìn)行積分，將積分結(jié)果連接到 COMP 引腳，從而調(diào)整導(dǎo)通時間，實現(xiàn)電流平衡。具體公式為 (t{ON} = Kleft(frac{V{COMP}}{V{IN}}right))，其中 (V{COMP} = V{OUT} + I{COMP}Z{COMP})，(I{COMP} = G{MM}(V{CM+}-V{CM-}) - G{MS}(V{CS+}-V{CS-}))。

同相和異相操作

• 異相操作：當(dāng) POL 引腳連接到 VCC 時，MAX1980 在主控制器低側(cè)柵極驅(qū)動器的上升沿觸發(fā)，實現(xiàn)異相操作。這種操作方式可使各相的瞬時輸入電流峰值不重疊，從而降低輸入和輸出電壓紋波以及 RMS 紋波電流，減少輸入和輸出電容的需求，降低 EMI 屏蔽要求。
• 同相操作：將 POL 引腳連接到 GND 時，MAX1980 在下降沿觸發(fā)，進(jìn)行同相操作。在 duty factor 約為 50% 的應(yīng)用中，同相操作可提高系統(tǒng)的抗噪聲能力，但會使輸入電容需要承受更大的瞬時輸入電流，導(dǎo)致紋波電壓和電流增加。

電流限制電路

從控制器電流限制

從控制器采用“谷值”電流檢測算法，當(dāng)電流檢測信號超過電流限制閾值時，MAX1980 不會啟動新的周期。實際的電感峰值電流會比電流限制閾值大一個電感紋波電流的值。此外，還設(shè)有負(fù)電流限制，防止輸出端吸收電流時電感電流反向過大。

主控制器電流限制調(diào)整

MAX1980 包含一個精密的電流限制比較器，通過 CM + 和 CM - 差分檢測主控制器的電感電流。當(dāng)主控制器的電流檢測電壓超過從控制器中 ILIM 設(shè)置的電流限制時，開漏電流限制比較器會將 LIMIT 引腳拉低，該信號經(jīng)過濾波后用于調(diào)整主控制器的電流限制閾值，提高主控制器的電流限制精度。

設(shè)計要點

元件選擇

設(shè)計時需根據(jù)輸入電壓范圍、最大負(fù)載電流、開關(guān)頻率等參數(shù)選擇合適的元件。

• 電感：根據(jù)開關(guān)頻率和紋波電流比計算電感值，例如在典型應(yīng)用中，當(dāng) (eta = 2)，(I{LOAD} = 40A)，(V{IN} = 12V)，(V{out} = 1.3V)，(f{sw} = 300kHz)，30% 紋波電流（(LIR = 0.3)）時，計算得出電感值 (L = 0.64mu H)。同時，要選擇低損耗、直流電阻盡可能小且能在規(guī)定尺寸內(nèi)工作的電感。
• MOSFET：高端 MOSFET 需能在 VIN(MIN) 和 VIN(MAX) 下承受電阻損耗和開關(guān)損耗；低端 MOSFET 應(yīng)選擇導(dǎo)通電阻盡可能小、封裝尺寸適中且價格合理的型號。
• 電容：輸出電容需滿足輸出紋波和負(fù)載瞬態(tài)要求，同時要考慮 ESR 對穩(wěn)定性的影響；輸入電容要滿足開關(guān)電流帶來的紋波電流要求。

電流限制設(shè)置

主從控制器的電流限制閾值必須足夠大，以支持最大負(fù)載電流。設(shè)置時，先根據(jù)工作條件和低端 MOSFET 的特性設(shè)置主控制器的電流限制，再配置從控制器以調(diào)整主控制器的電流限制閾值。例如，在典型應(yīng)用中，通過計算電感的峰 - 峰電流和谷值電流限制，確定主從控制器的電流限制閾值，并通過電阻分壓器來精確設(shè)置 ILIM 輸入的電壓。

PCB 布局

合理的 PCB 布局對實現(xiàn)低開關(guān)損耗和穩(wěn)定的工作至關(guān)重要。要遵循以下原則：

• 保持高電流路徑短，特別是接地端，確保穩(wěn)定、無抖動的運行。
• 將所有模擬地連接到一個獨立的實心銅平面，并連接到 MAX1980 的 GND 引腳。
• 主控制器也應(yīng)有獨立的模擬地，將敏感元件連接到該平面。
• 保持功率走線和負(fù)載連接短，使用厚銅 PCB 板可提高滿載效率。
• 保持高電流柵極驅(qū)動器走線（DL、DH、LX 和 BST）短而寬，以最小化走線電阻和電感。
• 使用 Kelvin 檢測連接來保證電流檢測的準(zhǔn)確性。
• 優(yōu)先讓電感充電路徑比放電路徑長。
• 避免高速開關(guān)節(jié)點靠近敏感模擬區(qū)域，將引腳控制輸入連接到模擬地或 VCC。

應(yīng)用優(yōu)勢

筆記本電腦和服務(wù)器電源

在筆記本電腦和服務(wù)器中，CPU 核心電源需要低電壓、高電流的穩(wěn)定供電。MAX1980 的多相設(shè)計和精確的電流控制能夠有效降低電感的峰值電流，減少元件的應(yīng)力和發(fā)熱，提高電源的效率和穩(wěn)定性。同時，其低功耗模式和寬輸入電壓范圍也能滿足不同應(yīng)用場景的需求。

電壓定位應(yīng)用

電壓定位功能可以根據(jù)負(fù)載電流動態(tài)降低輸出電壓，減少處理器的功耗。在實際應(yīng)用中，通過外部運算放大器和電流檢測電阻實現(xiàn)電壓定位，能夠在負(fù)載變化時快速調(diào)整輸出電壓，提高系統(tǒng)的整體效率。

總之，MAX1980 憑借其豐富的功能特性、精確的控制算法和靈活的設(shè)計選項，為多相 DC - DC 應(yīng)用提供了一個高效、可靠的解決方案。電子工程師們在設(shè)計相關(guān)電路時，可以充分利用 MAX1980 的優(yōu)勢，實現(xiàn)更優(yōu)化的電源設(shè)計。大家在使用 MAX1980 過程中遇到過哪些問題或者有什么獨特的設(shè)計思路呢？歡迎在評論區(qū)交流分享。