MAX5092/MAX5093：4V - 72V輸入LDO與升壓預(yù)調(diào)節(jié)器的完美結(jié)合

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理始終是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于需要寬輸入電壓范圍且對功耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場景，一款性能出色的電源芯片至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討一下Maxim Integrated推出的MAX5092/MAX5093系列，這兩款芯片是4V至72V輸入的LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器），并集成了升壓預(yù)調(diào)節(jié)器，為我們的設(shè)計帶來了諸多便利和優(yōu)勢。

文件下載：MAX5093EVKIT.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX5092A/MAX5092B/MAX5093A/MAX5093B是低靜態(tài)電流、低壓差的穩(wěn)壓器，內(nèi)部包含高頻升壓預(yù)調(diào)節(jié)器。它們能夠在冷啟動到負(fù)載突降（3.5V至80V）的輸入電壓條件下，無縫提供預(yù)設(shè)的3.3V（MAX5092A/MAX5093A）或5V（MAX5092B/MAX5093B）LDO輸出電壓，最大輸出電流可達250mA，同時具備出色的負(fù)載和線性調(diào)節(jié)能力。

在正常工作且電池狀態(tài)良好時，升壓預(yù)調(diào)節(jié)器會完全關(guān)閉，將靜態(tài)電流降至65μA（典型值），這使得該系列芯片非常適合始終開啟的電源應(yīng)用。此外，LDO和升壓預(yù)調(diào)節(jié)器的組合實現(xiàn)了降壓 - 升壓操作，只需使用一個現(xiàn)成的電感器，取代了典型單端初級電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）和基于變壓器的反激拓?fù)渌璧亩嗬@組定制磁性元件，大大減小了元件尺寸。

二、產(chǎn)品特性

1. 寬輸入電壓范圍

支持3.5V至72V的寬輸入電壓范圍，啟動電壓為4V，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的電源環(huán)境。

2. 靈活的輸出電壓

LDO輸出電壓可預(yù)設(shè)為3.3V或5V，也可通過外部電阻進行編程調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為1.5V至9V（MAX5092）或1.5V至10V（MAX5093）；升壓預(yù)調(diào)節(jié)器輸出電壓預(yù)設(shè)為7V，同樣可通過外部電阻調(diào)節(jié)，最高可達11V（MAX5092）或12V（MAX5093）。

3. 低功耗設(shè)計

在LDO模式下（ (V_{IN } ≥8 ~V) ），靜態(tài)電流僅為65μA；關(guān)機電流低至5μA，有效降低了系統(tǒng)功耗。

4. 保護功能完善

具備輸出過載、短路和熱保護功能，確保芯片在異常情況下的安全性和穩(wěn)定性。同時，還擁有可編程超時時間的上電復(fù)位（RESET）輸出，方便系統(tǒng)進行復(fù)位操作。

5. 散熱性能良好

采用熱增強型16引腳5mm x 5mm薄型QFN封裝，在多層PCB板上，+70°C時可散熱高達2.7W，保證了芯片在高負(fù)載下的穩(wěn)定運行。

三、電氣特性

1. 輸入電源特性

• 輸入電壓范圍為4V至72V，內(nèi)部輸入欠壓鎖定（UVLO）閾值在 (V_{IN}) 下降時為3.0 - 3.4V，上升時為3.4 - 3.8V。
• 靜態(tài)電流在LDO模式下，當(dāng) (I{OUT }= 100μA) 時為65 - 85μA， (I{OUT }= 250mA) 時為70 - 100μA；升壓轉(zhuǎn)換器開啟時，電源電流為0.4 - 1.0mA；關(guān)機電源電流為6 - 10μA。

2. 升壓轉(zhuǎn)換器特性

• 最小BSOUT輸出電流在 (V_{IN }= 4V) 時為250mA。
• 升壓轉(zhuǎn)換器啟用閾值為1.7 - 2.3V，禁用閾值為2.2 - 2.8V，禁用遲滯為0.5V。
• BSOUT輸出電壓在 (V{IN }= 4V) 、 (BSFB = SGND) 、 (V{OUT }= 5V) 時為7.00V，最大BSOUT輸出電壓MAX5092_為11V，MAX5093_為12V。

3. LDO特性

• 保證輸出電流在 (V{BSOUT } - V{OUT } = 2V) 時為250mA。
• 輸出電壓在預(yù)設(shè)模式下，MAX5092A/MAX5093A為3.25 - 3.35V，MAX5092B/MAX5093B為4.900 - 5.075V；可調(diào)節(jié)輸出電壓范圍為1.5 - 9V（MAX5092）或1.5 - 10V（MAX5093）。
• 壓差電壓在 (I_{OUT }= 250mA) 時為0.9 - 1.6V，LDO啟動響應(yīng)時間為200μs。
• 線性調(diào)節(jié)率在7V ≤ (V{IN } ≤ 72V) 、 (I{LOAD }= 10mA) 時為0.4 - 0.5mV/V，7V ≤ (V{IN } ≤ 28V) 、 (I{LOAD }= 250mA) 時為1.6mV/V。

四、引腳說明

MAX5092/MAX5093共有16個引腳，每個引腳都有其特定的功能：

• IN：輸入電源電壓，需通過一個47μF（低ESR）鋁電解電容器與一個1μF陶瓷電容器并聯(lián)旁路到電源接地平面。
• EN：使能輸入，高電平開啟芯片，低電平禁用芯片，直接連接到IN可實現(xiàn)始終開啟操作。
• SGND：信號接地，連接到信號接地平面和外露焊盤，與電源接地平面在輸入電容器的負(fù)極端連接。
• HOLD：輸出保持，當(dāng)HOLD為低電平時，調(diào)節(jié)器存儲輸出的開啟狀態(tài)，即使EN為低電平，調(diào)節(jié)器仍保持啟用狀態(tài)。
• PGND_LDO：LDO電源接地，連接到電源接地平面，并與信號接地平面連接。
• SET：LDO反饋輸入，直接連接到SGND可將LDO輸出電壓設(shè)置為預(yù)設(shè)值，連接到外部電阻分壓器的中心抽頭可設(shè)置不同的輸出電壓。
• OUT_SENSE：LDO調(diào)節(jié)器輸出檢測，連接到負(fù)載附近輸出電容器的OUT端。
• OUT：LDO調(diào)節(jié)器輸出，通過一個10μF陶瓷電容器旁路到電源接地平面，輸出電壓可預(yù)設(shè)或調(diào)節(jié)。
• BSOUT：升壓調(diào)節(jié)器輸出電壓，通過一個22μF（低ESR）鋁電解電容器與一個1μF陶瓷電容器并聯(lián)旁路到PGND_BST接地平面，輸出電壓可預(yù)設(shè)或調(diào)節(jié)。
• LX：電感連接到內(nèi)部功率MOSFET的漏極，引腳10和11應(yīng)盡可能靠近器件連接，MAX5093還需連接到外部肖特基二極管的陽極。
• PGND_BST：升壓調(diào)節(jié)器電源接地，連接到電源接地平面，并與信號接地平面在輸入電容器的負(fù)極端連接。
• BSFB：升壓調(diào)節(jié)器反饋輸入，直接連接到SGND可將升壓調(diào)節(jié)器輸出電壓設(shè)置為7V，連接到外部電阻分壓器的中心抽頭可設(shè)置不同的輸出電壓。
• VL：內(nèi)部調(diào)節(jié)器輸出，為IC供電，通過一個1μF/6.3V陶瓷電容器旁路到SGND，當(dāng) (V{BSOUT }) 高于5.5V時， (V{VL }) 調(diào)節(jié)到5.5V。
• CT：RESET超時編程輸入，連接一個電容器到SGND可設(shè)置RESET超時時間。
• RESET：RESET輸出，為開漏輸出，當(dāng) (V{OUT }) 超過輸出電壓閾值的92%時，經(jīng)過編程的時間延遲后變?yōu)楦咦钁B(tài)；當(dāng) (V{OUT }) 低于調(diào)節(jié)后的LDO輸出電壓的90%時，立即拉低。
• EP：外露焊盤，連接到信號接地平面（SGND），連接到大型信號接地平面可提高散熱性能。

五、功能框圖

MAX5092_和MAX5093_的功能框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。芯片內(nèi)部包含升壓轉(zhuǎn)換器、LDO、控制邏輯、熱關(guān)斷和過流保護等模塊，通過合理的電路設(shè)計實現(xiàn)了高效的電源轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定的輸出。

六、詳細(xì)工作原理

1. 升壓轉(zhuǎn)換器

采用最小關(guān)斷時間、最大導(dǎo)通時間脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制方案。當(dāng) (V{BSOUT }) 低于由 (V{BSFB }) 確定的調(diào)節(jié)點時，內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通；當(dāng)電感電流達到峰值電流限制（典型值2.5A）或最大導(dǎo)通時間2.25μs時，MOSFET關(guān)斷，關(guān)斷后至少保持1μs。新的開關(guān)周期在 (V_{BSOUT }) 低于閾值時啟動。

2. 線性調(diào)節(jié)器

內(nèi)部采用p溝道MOSFET作為LDO的傳輸晶體管，升壓調(diào)節(jié)器的輸出連接到p-MOSFET的源極。LDO在升壓調(diào)節(jié)器啟動200μs后啟動，最大輸出電流為250mA，典型壓差電壓為0.9V。LDO輸出電壓可通過SET輸入進行設(shè)置。

3. 內(nèi)部調(diào)節(jié)器（VL）

為所有內(nèi)部低壓模塊供電，通過一個1μF陶瓷電容器旁路到SGND。當(dāng) (V{BSOUT }) 高于5.5V時， (V{VL }) 調(diào)節(jié)到5.5V；當(dāng) (V{BSOUT }) 低于5.5V時， (V{VL }) 跟蹤 (V_{BSOUT }) 的電壓。

4. 上電復(fù)位輸出（RESET）

當(dāng)LDO輸出電壓（ (V{OUT }) ）低于標(biāo)稱輸出電壓的90%時，RESET經(jīng)過短暫延遲后拉低；當(dāng) (V{OUT }) 高于標(biāo)稱輸出電壓的92%時，經(jīng)過編程的復(fù)位超時時間后，RESET變?yōu)楦咦钁B(tài)。

5. 使能和保持輸入

通過EN（高電平有效）和HOLD（低電平有效）兩個邏輯輸入實現(xiàn)自保持電路。例如，點火開關(guān)將EN拉高，調(diào)節(jié)器開啟；若HOLD隨后被拉低，即使EN變?yōu)榈碗娖剑{(diào)節(jié)器仍保持開啟狀態(tài)。

七、應(yīng)用電路

文檔中給出了MAX5092B、MAX5093B、MAX5092A和MAX5093A的典型應(yīng)用電路，展示了不同預(yù)設(shè)和可調(diào)節(jié)輸出電壓的配置方式。這些電路為工程師提供了實際設(shè)計的參考，方便根據(jù)具體需求進行應(yīng)用開發(fā)。

八、設(shè)計指南

1. 輸入電容和升壓電容選擇

• 輸入電容（ (C_{IN}) ）：由于升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電流波形連續(xù)，通常對輸入電容的容量要求不高。但為了應(yīng)對冷啟動壓降，建議使用大容量、低ESR的電容器。在低溫情況下，可選擇ESR低于40mΩ的電解液電容器或并聯(lián)一個10μF的低ESR陶瓷電容器。
• 升壓電容（ (C{BSOUT}) ）：升壓轉(zhuǎn)換器輸出電流波形不連續(xù)，需要在BSOUT端使用大容量、低ESR的電容器，以確保低 (V{BSOUT }) 紋波?？墒褂靡韵鹿接嬎闼璧腅SR： (ESR {BSOUT }=frac{Delta V{ESRBS }}{I{LIM }-I{OUT }}) ，其中 (Delta V{ESRBS }) 為 (V{BSOUT }) 總峰 - 峰紋波的75%， (I{LIM }) 為內(nèi)部開關(guān)電流限制（最大3A）， (I{OUT }) 為LDO輸出電流。同時，可使用公式 (Delta V{CBS}=frac{I{OUT } × 2.7 × 10^{-6}}{C_{BSOUT }}) 估算電容器放電引起的紋波。

2. 電感選擇

MAX5092/MAX5093的控制方案允許靈活選擇電感值。較小的電感值通常具有較小的物理尺寸，但可能會增加紋波；較大的電感值可提供更高的效率和較小的紋波，但可能會降低最大輸出電流。為了獲得最大輸出電流，可選擇電感值滿足 (L leq frac{V{IN } × t{ON-MAX }}{I{LIM }}) 的電感，其中 (t{ON-MAX }) 典型值為2.25μs， (I{LIM }) 最大為3A，同時應(yīng)選擇最大飽和電流（ (I{SAT }) ）大于3A的電感。

3. 設(shè)置升壓輸出電壓（ (V_{BSOUT }) ）

具有預(yù)設(shè)和可調(diào)兩種模式。預(yù)設(shè)模式下，將BSFB直接連接到SGND， (V{BSOUT }) 設(shè)置為7V；可調(diào)模式下，將BSFB連接到外部電阻分壓器的中心抽頭，可通過公式 (R 1=R 2 timesleft(frac{V{BSOUT }}{V{BSFB }}-1right)) 計算電阻值，其中 (V{BSFB }) 為BSFB的調(diào)節(jié)電壓（典型值1.24V）。

4. 設(shè)置LDO輸出電壓（ (V_{OUT }) ）

同樣具有預(yù)設(shè)和可調(diào)兩種模式。預(yù)設(shè)模式下，將SET連接到SGND， (V{OUT }) 調(diào)節(jié)到3.3V（MAX5092A/MAX5093A）或5V（MAX5092B/MAX5093B）；可調(diào)模式下，將SET連接到外部電阻分壓器的中心抽頭，可通過公式 (R 4=R 5 timesleft(frac{V{OUT }}{V{SET }}-1right)) 計算電阻值，其中 (V{SET }) 為SET的調(diào)節(jié)電壓（典型值1.24V）。

5. 肖特基二極管選擇（MAX5093_）

MAX5093_需要在LX和BSOUT之間連接一個外部二極管。建議選擇肖特基二極管，其具有快速恢復(fù)時間和低正向電壓降的特點。二極管的峰值電流額定值應(yīng)大于或等于內(nèi)部升壓轉(zhuǎn)換器MOSFET的峰值電流限制，平均正向電流額定值至少為1A，反向擊穿電壓應(yīng)大于最壞情況下的負(fù)載突降條件電壓。

6. CT電容選擇

通過連接一個電容器從CT到SGND可設(shè)置RESET超時時間，計算公式為 (C{CT}=frac{2 × 10^{-6} × t{DELAY }}{1.24}) ，其中 (t_{DELAY }) 為所選的RESET有效超時時間。

7. 最大輸出電流（ (I_{OUT_MAX }) ）

MAX5092_/MAX5093的最大輸出電流受封裝功率耗散限制。可根據(jù)環(huán)境溫度使用公式計算允許的封裝耗散功率（ (P{DISS }) ），再通過公式 (I_{OUTMAX }=frac{P{DISS }-P{LOSS (BST) }}{V{IN }-V{OUT }}) 計算最大輸出電流，其中 (P{LOSS (BST) }) 為升壓轉(zhuǎn)換器的功率損耗。

8. PCB布局指南

• 使用大面積銅平面作為SGND，并將其焊接到外露焊盤，將銅平面暴露在PCB的頂部和底部，以提高散熱性能。
• 隔離功率元件和高電流路徑與敏感模擬電路，保持高電流路徑短，特別是在接地端子處。
• 將輸入電容器和升壓輸出電容器的返回端子連接到PGND_BST電源接地平面，在輸入電容器的負(fù)極端將電源接地和信號接地平面連接。
• 確保反饋連接短而直接，保證BSFB和SGND之間的低阻抗路徑，將BSFB的瞬態(tài)限制在100mV以內(nèi)。
• 路由高速開關(guān)節(jié)點遠(yuǎn)離敏感模擬區(qū)域，使用內(nèi)部PCB層作為SGND的EMI屏蔽，減少輻射噪聲對IC、反饋分壓器和旁路電容器的影響。

九、總結(jié)

MAX5092/MAX5093系列芯片以其寬輸入電壓范圍、靈活的輸出電壓調(diào)節(jié)、低功耗設(shè)計和完善的保護功能，為電子工程師在電源管理設(shè)計中提供了一個優(yōu)秀的解決方案。通過合理選擇元件和遵循PCB布局指南，能夠充分發(fā)揮芯片的性能，滿足各種應(yīng)用場景的需求。在實際設(shè)計中，工程師們可以根據(jù)具體的項目要求，靈活運用這些芯片，打造出高效、穩(wěn)定的電源系統(tǒng)。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。