MAX17550：高效同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，高效、小體積且能適應(yīng)寬輸入電壓范圍的DC - DC轉(zhuǎn)換器是工程師們的理想之選。MAX17550就是這樣一款出色的產(chǎn)品，它以其獨(dú)特的性能和豐富的功能，為工業(yè)傳感器、電池供電設(shè)備等眾多應(yīng)用場(chǎng)景提供了優(yōu)質(zhì)的電源解決方案。本文將深入探討MAX17550的特性、工作原理、引腳配置以及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX17550是一款集成了MOSFET的高效、高壓同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍為4V至60V，能夠提供高達(dá)25mA的輸出電流，輸出電壓可在0.8V至0.9 x VIN之間調(diào)節(jié)。在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內(nèi)，反饋電壓的精度控制在±1.75%以內(nèi)。該轉(zhuǎn)換器采用峰值電流模式控制，可工作于脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式。此外，它還提供了10引腳（3mm x 2mm）TDFN和10引腳（3mm x 3mm）μMAX?兩種封裝形式，并且有仿真模型可供使用。

二、產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

（一）減少外部組件和總成本

1. 同步整流設(shè)計(jì)：采用同步整流技術(shù)，無需肖特基二極管，減少了外部組件數(shù)量，降低了成本。
2. 內(nèi)部補(bǔ)償：對(duì)于任何輸出電壓，都能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部補(bǔ)償，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
3. 內(nèi)置軟啟動(dòng)：內(nèi)置軟啟動(dòng)功能，避免了啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，保護(hù)了電路元件。
4. 全陶瓷電容和緊湊布局：支持全陶瓷電容，使得布局更加緊湊，節(jié)省了電路板空間。

（二）減少庫存需求

1. 寬輸入電壓范圍：4V至60V的寬輸入電壓范圍，能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境，減少了對(duì)不同DC - DC調(diào)節(jié)器的庫存需求。
2. 可調(diào)輸出電壓：輸出電壓可在0.8V至0.9 x VIN之間調(diào)節(jié)，滿足了不同應(yīng)用的需求。
3. 可調(diào)開關(guān)頻率：開關(guān)頻率可在100kHz至2.2MHz之間調(diào)節(jié)，并且支持外部同步，提高了設(shè)計(jì)的靈活性。

（三）降低功耗

1. 低靜態(tài)電流：無負(fù)載時(shí)的靜態(tài)電流僅為22μA，有效降低了功耗。
2. 高效率：峰值效率超過90%，在輕負(fù)載時(shí)，PFM模式可進(jìn)一步提高效率。
3. 低關(guān)斷電流：關(guān)斷電流僅為1.2μA，在不工作時(shí)可大大降低功耗。

（四）惡劣環(huán)境下可靠運(yùn)行

1. 過流保護(hù)：具備峰值電流限制保護(hù)功能，能夠有效保護(hù)電感和內(nèi)部FET。
2. 輸出電壓監(jiān)控復(fù)位：內(nèi)置輸出電壓監(jiān)控復(fù)位功能，當(dāng)輸出電壓異常時(shí)，可及時(shí)發(fā)出復(fù)位信號(hào)。
3. 可編程使能/欠壓鎖定閾值：使能/欠壓鎖定閾值可編程，方便根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。
4. 預(yù)偏置負(fù)載單調(diào)啟動(dòng)：支持預(yù)偏置負(fù)載的單調(diào)啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)時(shí)的電流倒灌。
5. 過溫保護(hù)：具備過溫保護(hù)功能，當(dāng)結(jié)溫超過160°C時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉設(shè)備，待溫度下降20°C后再重新啟動(dòng)。
6. 寬工作溫度范圍：工業(yè)級(jí)的工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，結(jié)溫范圍為 - 40°C至 + 150°C，能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境條件。

三、電氣特性

（一）輸入電源

輸入電壓范圍為4V至60V，輸入關(guān)斷電流在V_EN/UVLO = 0V、TA = + 25°C時(shí)為0.67 - 2.25μA，輸入電源電流在PFM模式下典型值為18μA，PWM模式下典型值為485μA。

（二）外部偏置

V_OUT開關(guān)閾值為2.96 - 3.12V。

（三）使能/欠壓鎖定

EN/UVLO上升閾值為1.2 - 1.3V，下降閾值為1.1 - 1.2V，真正關(guān)斷閾值為0.7V，泄漏電流在V_EN/UVLO = 1.3V、TA = + 25°C時(shí)為 - 100 - + 100nA。

（四）功率MOSFET

高端pMOS導(dǎo)通電阻典型值為5.9Ω，低端nMOS導(dǎo)通電阻典型值為3.0Ω，LX泄漏電流在V_EN = 0V、TA = + 25°C、V_LX = (V_GND + 1V)至(V_IN - 1V)時(shí)為 - 1 - + 1μA。

（五）軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)時(shí)間在SS未連接時(shí)為4.4 - 5.8ms，SS充電電流在V_SS = 0.4V時(shí)為4.7 - 5.3μA。

（六）反饋

FB調(diào)節(jié)電壓在MODE = GND時(shí)為0.786 - 0.814V，MODE未連接時(shí)為0.786 - 0.826V，F(xiàn)B輸入泄漏電流在V_FB = 1V、TA = 25°C時(shí)為 - 100 - + 100nA。

（七）電流限制

峰值電流限制閾值為66 - 78mA，負(fù)電流限制閾值在MODE = GND時(shí)為24 - 40mA，MODE未連接時(shí)為0.01mA，PFM電流水平在MODE未連接時(shí)為17 - 29mA。

（八）開關(guān)頻率

開關(guān)頻率可通過連接在RT/SYNC引腳的電阻進(jìn)行編程，范圍為100kHz至2.2MHz。外部同步時(shí)，同步輸入頻率為1.1 x fSW，最大為2200kHz，同步脈沖最小關(guān)斷時(shí)間為40ns。

（九）定時(shí)

最小導(dǎo)通時(shí)間在fSW ≤ 600kHz、VFB = 0.98 x VFB - REG時(shí)為46 - 128ns，最大占空比在fSW ≤ 600kHz時(shí)為90 - 98%，fSW > 600kHz時(shí)為87 - 92%，打嗝超時(shí)時(shí)間為51ms。

（十）復(fù)位

FB上升時(shí)的復(fù)位閾值為93 - 97%，下降時(shí)為90 - 94%，F(xiàn)B達(dá)到95%調(diào)節(jié)后復(fù)位延遲為2.1ms，復(fù)位輸出低電平在IRESET = 1mA時(shí)為0.23V，復(fù)位輸出泄漏電流在VFB = 1.01 x VFB - REG、TA = + 25°C時(shí)為1μA。

（十一）模式

MODE PFM閾值為1 - 1.44V，MODE滯后為0.19V，MODE內(nèi)部上拉電阻在MODE未連接時(shí)為123kΩ，MODE接地時(shí)為1390kΩ。

（十二）熱關(guān)斷

熱關(guān)斷閾值為160°C，熱關(guān)斷滯后為20°C。

四、引腳配置與功能

（一）IN

開關(guān)調(diào)節(jié)器輸入引腳，需連接一個(gè)X7R 1μF陶瓷電容至GND進(jìn)行旁路。

（二）EN/UVLO

高電平有效，使能/欠壓檢測(cè)輸入引腳。將其拉至GND可禁用調(diào)節(jié)器輸出，連接至IN可實(shí)現(xiàn)始終開啟操作。通過連接電阻分壓器可對(duì)設(shè)備啟用和開啟的輸入電壓進(jìn)行編程。

（三）RT/SYNC

振蕩器定時(shí)電阻輸入引腳。連接一個(gè)電阻至GND可對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行編程，范圍為100kHz至2.2MHz。也可通過耦合電容施加外部脈沖，將內(nèi)部時(shí)鐘同步到外部脈沖頻率。

（四）SS

軟啟動(dòng)電容輸入引腳。連接一個(gè)電容至GND可設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間，若不連接則采用默認(rèn)的5.1ms內(nèi)部軟啟動(dòng)。

（五）FB

輸出反饋連接引腳。連接至VOUT和GND之間的電阻分壓器可設(shè)置輸出電壓。

（六）VOUT

內(nèi)部控制電路的外部偏置輸入引腳。對(duì)于輸出電壓在3.3V至5V的應(yīng)用，需用0.22μF電容去耦至GND，并通過22.1Ω電阻連接至輸出電容正端；對(duì)于輸出電壓小于3.3V或大于5V的應(yīng)用，應(yīng)連接至GND。

（七）RESET

開漏復(fù)位輸出引腳。需用外部電阻上拉至所需的外部電源。當(dāng)FB電壓低于其設(shè)定值的92%時(shí)，RESET拉低；FB電壓高于其設(shè)定值的95%后2ms，RESET變?yōu)楦咦钁B(tài)。

（八）MODE

PFM/PWM模式選擇輸入引腳。連接至GND可啟用固定頻率PWM操作，不連接則用于輕負(fù)載PFM操作。

（九）GND

接地引腳，需連接至電源接地平面，并將所有電路接地連接在一點(diǎn)。

（十）LX

電感連接引腳，連接至電感的開關(guān)側(cè)。設(shè)備關(guān)斷時(shí)，LX為高阻態(tài)。

（十一）EP（僅TDFN封裝）

外露焊盤，連接至IC的GND引腳。

五、工作原理

MAX17550采用內(nèi)部補(bǔ)償?shù)姆逯惦娏髂Ｊ娇刂萍軜?gòu)。在內(nèi)部時(shí)鐘的上升沿，高端pMOSFET導(dǎo)通。內(nèi)部誤差放大器將反饋電壓與固定的內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，生成誤差電壓。PWM比較器將誤差電壓與電流檢測(cè)電壓和斜率補(bǔ)償電壓之和進(jìn)行比較，以設(shè)置“導(dǎo)通時(shí)間”。在pMOSFET導(dǎo)通期間，電感電流上升；在開關(guān)周期的其余時(shí)間（關(guān)斷時(shí)間），pMOSFET關(guān)斷，低端nMOSFET導(dǎo)通，電感釋放存儲(chǔ)的能量，電感電流下降，為輸出提供電流。在過載條件下，逐周期電流限制功能通過關(guān)斷高端pMOSFET和導(dǎo)通低端nMOSFET來限制電感峰值電流。

六、模式選擇

（一）PWM模式

當(dāng)MODE引腳接地時(shí)，設(shè)備工作在恒定頻率的強(qiáng)制PWM模式。在該模式下，電感電流允許為負(fù)，適用于對(duì)頻率敏感的應(yīng)用，可在所有負(fù)載下提供固定的開關(guān)頻率。但在輕負(fù)載時(shí)，PWM模式的效率低于PFM模式。

（二）PFM模式

當(dāng)MODE引腳不連接時(shí)，設(shè)備在輕負(fù)載時(shí)工作在PFM模式。該模式禁用負(fù)電感電流，并在輕負(fù)載時(shí)跳過脈沖以提高效率。在PFM模式下，電感電流在每個(gè)時(shí)鐘周期被強(qiáng)制達(dá)到固定峰值23mA（典型值），直到輸出電壓上升到標(biāo)稱電壓的102%（典型值）。當(dāng)輸出電壓達(dá)到該值時(shí)，高端和低端FET均關(guān)斷，設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到負(fù)載將輸出電壓放電至標(biāo)稱電壓的101%（典型值）。在休眠狀態(tài)下，大部分內(nèi)部模塊關(guān)閉以節(jié)省靜態(tài)電流。當(dāng)負(fù)載電流增加到大約[IPFM - (Delta I / 2)]時(shí)，設(shè)備自然退出PFM模式；當(dāng)負(fù)載電流降低到大約(Delta I / 2)時(shí)，再次進(jìn)入PFM模式。

七、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）電感選擇

應(yīng)選擇具有盡可能低直流電阻且適合指定尺寸的低損耗電感。電感值可通過公式[L=frac{37000 × V{OUT }}{f{SW}}]計(jì)算，輸出電感的峰 - 峰紋波電流可通過公式[Delta I=frac{1000 × V{OUT } timesleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)}{f{SW } × L}]計(jì)算。電感的飽和電流額定值必須超過最大電流限制值（IPEAK - LIMIT），至少為0.078A。常見的鐵芯材料有鐵氧體和粉末鐵，鐵氧體鐵芯具有低鐵芯損耗，適用于高效率設(shè)計(jì)；粉末鐵鐵芯鐵芯損耗較大，但相對(duì)成本較低。

（二）輸入電容選擇

建議使用小型陶瓷輸入電容，其可減少?gòu)碾娫醇橙〉姆逯惦娏?，降?a href="http://m.makelele.cn/soft/data/4-15/" target="_blank">開關(guān)電路引起的輸入噪聲和電壓紋波。為使輸入電壓紋波保持在最小輸入電壓的2%以內(nèi)，并滿足最大紋波電流要求，建議使用封裝大于0805的最小1μF、X7R級(jí)電容作為輸入電容。

（三）輸出電容選擇

需要注意的是，陶瓷電容的介電材料會(huì)因直流偏置電平而出現(xiàn)電容損耗，應(yīng)適當(dāng)降額以確保在應(yīng)用中獲得所需的輸出電容。

（四）軟啟動(dòng)電容選擇

當(dāng)SS引腳不連接時(shí)，MAX17550提供5.1ms的內(nèi)部軟啟動(dòng)。若需要可調(diào)軟啟動(dòng)時(shí)間，可連接一個(gè)電容從SS到GND進(jìn)行編程。最小軟啟動(dòng)時(shí)間與輸出電容（COUT）和輸出電壓（VOUT）的關(guān)系為[t{SS}>0.05 × C{OUT} × V{OUT}]，軟啟動(dòng)時(shí)間（tSS）與連接在SS的電容（CSS）的關(guān)系為[C{SS}=6.25 × t_{SS}]。

（五）設(shè)置輸入欠壓鎖定電平

設(shè)備提供可調(diào)的輸入欠壓鎖定電平，可通過連接從IN到GND的電阻分壓器來設(shè)置設(shè)備開啟的電壓。選擇R1最大為3.3MΩ，然后通過公式[R 2=frac{R 1 × 1.25}{left(V_{INU }-1.25right)}]計(jì)算R2，其中VINU為設(shè)備所需開啟的電壓。若EN/UVLO引腳由外部信號(hào)源驅(qū)動(dòng)，建議在信號(hào)源輸出和EN/UVLO引腳之間放置最小1kΩ的串聯(lián)電阻，以減少線路上的電壓振鈴。

（六）調(diào)整輸出電壓

通過連接在FB引腳和VOUT、GND之間的電阻分壓器來調(diào)整輸出電壓，具體的電阻值可根據(jù)所需的輸出電壓進(jìn)行計(jì)算。

八、總結(jié)

MAX17550以其高效、小體積、寬輸入電壓范圍和豐富的功能，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。通過合理選擇外部組件和正確配置引腳功能，能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，工程師們還需要根據(jù)具體的應(yīng)用要求，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)的計(jì)算和調(diào)試，以確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用MAX17550進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，是否遇到過一些挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。