深入解析MAX26239/MAX26240：4.5V - 36V、6A 降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器

在電子設計領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。今天，我們就來深入探討一下 Analog Devices 推出的 MAX26239/MAX26240 降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，看看它有哪些獨特的性能和應用場景。

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一、產(chǎn)品概述

MAX26239/MAX26240 是一款小型、同步的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，集成了 H 橋開關(guān)。它具有以下顯著特點：

• 寬輸入電壓范圍：支持 4.5V 至 36V 的輸入電壓，能適應各種復雜的電源環(huán)境。
• 靈活的輸出電壓：提供固定輸出調(diào)節(jié)電壓和 3V 至 20V 范圍內(nèi)的外部可調(diào)輸出電壓，輸入電壓可高于、低于或等于輸出調(diào)節(jié)電壓。
• 高電流能力：典型的 8.2A 和 10A 輸入電流限制選項，根據(jù)輸入 - 輸出電壓比和工作頻率，可支持高達 6A 的連續(xù)負載電流。
• 雙開關(guān)頻率選項：提供 2.1MHz 和 400kHz 兩種開關(guān)頻率。2.1MHz 高開關(guān)頻率允許使用小型外部組件，減少輸出紋波，并保證無 AM 頻段干擾；400kHz 開關(guān)頻率則提供更好的效率，減輕功耗擔憂。
• 多種工作模式：SYNC 輸入支持三種操作模式，包括超低靜態(tài)電流的跳過模式、強制固定頻率 PWM 操作以及與外部時鐘同步。
• 低 EMI 干擾：集成了擴頻頻率調(diào)制功能，可最大程度減少 EMI 干擾。
• 完善的保護功能：具備電源正常（POK）指示燈、欠壓鎖定、過壓保護、逐周期電流限制和熱關(guān)斷等功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。

二、應用領(lǐng)域

MAX26239/MAX26240 適用于多種應用場景，包括：

• 負載點電源：為各種電子設備提供穩(wěn)定的電源。
• 12V/24V 工業(yè)應用：如電信、服務器和網(wǎng)絡設備等，滿足工業(yè)環(huán)境對電源的高要求。

三、電氣特性

輸入電源

• SUP 電壓范圍：初始啟動時為 4.5V 至 36V。
• 關(guān)斷電源電流：在 VEN = 0V、TA = +25°C 時，典型值為 5 - 10μA。
• 待機電源電流：在 VEN = VSUP、VOUT = 0V、VSYNC = 5V 且無負載時，典型值為 95μA。

VCC 調(diào)節(jié)器

• VCC 輸出電壓：當 VSUP > 3.5V 且 IVCC = 1mA 至 50mA 時，輸出為 1.8V。
• VCC 欠壓鎖定：VCC 下降時，欠壓鎖定閾值為 1.6V，遲滯為 100mV。

降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器

• 固定輸出電壓：有 5V 和 11.5V 等固定輸出電壓選項，精度為 ±2%。
• 軟啟動時間：2.5ms，可限制啟動浪涌電流。
• 自動重試時間：輸出短路條件檢測后為 5ms。
• 最小導通時間：在降壓模式下，2.1MHz 開關(guān)頻率時為 100ns，400kHz 開關(guān)頻率時為 125ns。
• 死區(qū)時間：典型值為 3ns。
• LX1、LX2 上升和下降時間：分別為 1.5ns 和 3ns。

功率 MOSFET

• DMOS 導通電阻：VCC = 1.8V、IDSON = 0.2A 時，典型值為 20 - 35mΩ。
• LX1、LX2 泄漏電流：在 VEN = 0V、VSUP = 36V（LX1）或 VLX2 = 12V（LX2）、TA = +25°C 時，典型值為 5μA。

電流檢測

• 電流限制：有 8.2A 和 10A 兩種選項，典型值分別為 8 - 12A。

誤差放大器

• 調(diào)節(jié)反饋電壓：典型值為 0.8V，精度為 ±1.75%。
• 反饋泄漏電流：VFB = 0.8V、TA = +25°C 時，典型值為 0.02 - 1μA。
• 電流跨導：VFB = 0.8V、VCC = 1.8V 時，典型值為 85 - 115μS。

開關(guān)頻率

• PWM 開關(guān)頻率：400kHz 選項時為 350 - 450kHz，2.1MHz 選項時為 1.9 - 2.3MHz。
• SYNC 外部時鐘輸入：400kHz 選項時，最小同步脈沖為 280 - 520kHz；2.1MHz 選項時為 1.5 - 2.7MHz。
• 擴頻：±6%。

輸出監(jiān)測

• 輸出過壓閾值：相對于 VFB 上升檢測時為 106 - 110%。
• 輸出過壓遲滯：3%。
• PGOOD 閾值：VOUT 上升時為 92 - 96%，下降時為 91 - 95%。
• PGOOD 輸出低電壓：ISINK = 1mA 時，典型值為 0.2V。
• PGOOD 泄漏電流：VPGOOD = 5.5V、TA = +25°C 時，典型值為 1μA。
• PGOOD 去抖時間：故障檢測時，上升和下降均為 40μs。

邏輯輸入

• 輸入高電平：電壓上升時為 1.3V。
• 輸入低電平：電壓下降時為 0.5V。
• 輸入泄漏電流：EN、SPS 引腳在 TA = +25°C 時，典型值為 1μA；SYNC 引腳在 TA = +25°C、SYNC = 1.8V、EN = 高電平時，典型值為 20 - 50μA。

熱關(guān)斷

• 熱關(guān)斷閾值：典型值為 175°C。
• 熱關(guān)斷遲滯：典型值為 20°C。

四、典型工作特性

啟動特性

在滿負載啟動時，不同輸出電壓和開關(guān)頻率下，啟動過程平穩(wěn)，能夠快速達到穩(wěn)定輸出。例如，在 11.5V 輸出、400kHz 開關(guān)頻率和 5V 輸出、2.1MHz 開關(guān)頻率的情況下，都能在較短時間內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。

靜態(tài)電流與電源電壓關(guān)系

靜態(tài)電流隨著電源電壓的變化而變化，在輕負載時，靜態(tài)電流較低，滿足低功耗要求。例如，在待機模式下，靜態(tài)電流僅為 95μA。

效率與輸出電流關(guān)系

效率與輸出電流密切相關(guān)，在不同的輸出電流和輸入電壓條件下，效率表現(xiàn)良好。一般來說，在中等負載時效率較高，能夠滿足大多數(shù)應用的需求。例如，在 12V 輸出、2.1MHz 開關(guān)頻率和 11.5V 輸出、400kHz 開關(guān)頻率的情況下，效率都能達到較高水平。

五、引腳配置與功能

引腳配置

MAX26239/MAX26240 采用 22 引腳 FC2QFN 封裝，引腳排列緊湊，方便 PCB 布局。

引腳功能

• BST1、BST2：分別為開關(guān)節(jié)點 LX1 和 LX2 的自舉電容連接引腳，需連接 0.1μF 陶瓷電容。
• SUP：降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器和內(nèi)部 VCC LDO 調(diào)節(jié)器的電源輸入引腳，需用 4.7μF 或更大的陶瓷電容旁路到 PGND1。
• PGND1、PGND2：分別為降壓低側(cè) FET LS1 和升壓低側(cè) FET LS2 的電源接地引腳，需連接在一起到電源地。
• LX1、LX2：降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)節(jié)點，分別連接到功率電感的兩側(cè)。
• OUT：降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的輸出引腳。
• EN：高壓耐受使能輸入引腳，高電平使能降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器。
• FB：反饋輸入引腳，用于設置輸出電壓。連接到 OUT 和 AGND 之間的電阻分壓器可實現(xiàn) 3V 至 20V 的外部可調(diào)輸出電壓；連接到 VCC 可選擇固定輸出電壓。
• COMP：誤差放大器輸出引腳，需連接 RC 補償網(wǎng)絡到 AGND 以穩(wěn)定控制環(huán)路。
• SPS：擴頻（SPS）功能使能輸入引腳，高電平使能 SPS 功能，低電平禁用。
• SYNC：外部時鐘同步和跳過/PWM 模式控制輸入引腳，連接到 AGND 啟用跳過模式，連接到 VCC 啟用 PWM 模式，連接到有效外部時鐘可將降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率同步到外部時鐘。
• PGOOD：開漏、電源正常指示引腳，需用外部電阻上拉到 VCC 或低于 5.5V 的正電壓，用于指示 OUT 電壓狀態(tài)。
• VCC：內(nèi)部 1.8V 調(diào)節(jié)器輸出引腳，需用最小 4.7μF 陶瓷電容旁路到地。
• AGND：模擬接地引腳，需與 PGND1、PGND2 在單點以星形接地方式連接。

六、詳細工作原理

H 橋操作

MAX26239/MAX26240 的 H 橋配置由四個開關(guān)（HS1、LS1、HS2、LS2）組成，根據(jù)輸入和輸出電壓的比例，有三種工作模式：

• 降壓模式：當輸入電壓遠高于輸出電壓時，HS2 始終導通，LS2 始終關(guān)斷，HS1 和 LS1 以開關(guān)頻率切換，采用峰值電流模式控制方案確定開關(guān)的導通脈沖寬度，類似于同步降壓轉(zhuǎn)換器。
• 升壓模式：當輸入電壓遠低于輸出電壓時，HS1 始終導通，LS1 始終關(guān)斷，HS2 和 LS2 以開關(guān)頻率切換，同樣采用峰值電流模式控制方案，類似于同步升壓轉(zhuǎn)換器。
• 降壓 - 升壓模式：當輸入電壓接近輸出電壓時，四個開關(guān)根據(jù)需要以開關(guān)頻率導通/關(guān)斷，以保持高效率和穩(wěn)定的輸出電壓。

線性調(diào)節(jié)器輸出（VCC）

器件內(nèi)部包含一個 1.8V 線性調(diào)節(jié)器（VCC），為內(nèi)部電路塊提供電源。啟動時，偏置調(diào)節(jié)器從輸入獲取電源，啟動完成后切換到輸出。對于輸出電壓小于 1.8V 的情況，偏置調(diào)節(jié)器始終由輸入供電。

軟啟動

MAX26239/MAX26240 具有 2.5ms 的軟啟動時間，通過強制輸出電壓向調(diào)節(jié)點斜坡上升來限制啟動浪涌電流。

電流限制/打嗝模式

器件具備電流限制功能，可保護器件免受輸出短路和過載條件的影響。在短路或過載情況下，高側(cè) MOSFET 保持導通，直到電感電流達到電流限制閾值，然后轉(zhuǎn)換器導通低側(cè) MOSFET 使電感電流下降。當電感電流低于低側(cè) MOSFET 電流限制閾值時，轉(zhuǎn)換器再次導通高側(cè) MOSFET。如果輸出電壓低于目標的 50% 且達到電流限制，將啟用打嗝模式，輸出關(guān)閉 5ms，然后通過軟啟動再次嘗試上電。

電源正常輸出（PGOOD）

PGOOD 是一個開漏、電源正常指示引腳，當輸出電壓下降到低于 93%（典型值）的下降閾值時，PGOOD 拉低；當輸出電壓上升到高于 94%（典型值）的上升閾值時，PGOOD 釋放。需用外部電阻將 PGOOD 連接到輸出或外部 I/O 電壓。

同步輸入（SYNC）

SYNC 引腳是一個邏輯電平輸入，用于操作模式選擇和頻率控制。連接到 VCC 或外部時鐘可啟用強制固定頻率（FPWM）操作；連接到 GND 可啟用自動跳過模式，提高輕負載效率。外部時鐘頻率可在內(nèi)部時鐘的 ±20% 范圍內(nèi)，器件在兩個周期內(nèi)與外部時鐘同步。當 SYNC 引腳的外部時鐘信號缺失超過兩個時鐘周期時，器件使用內(nèi)部時鐘。

系統(tǒng)使能（EN）

EN 是一個使能控制輸入引腳，用于從低功耗關(guān)斷模式激活器件。EN 與 1.8V 至 VIN 的輸入兼容，高電平開啟內(nèi)部線性（VCC）調(diào)節(jié)器。當 VCC 高于內(nèi)部鎖定閾值（典型值為 1.7V）時，轉(zhuǎn)換器激活，輸出電壓以編程的軟啟動時間斜坡上升。邏輯低電平使器件關(guān)斷，關(guān)斷時 VCC 調(diào)節(jié)器和柵極驅(qū)動器關(guān)閉，關(guān)斷電流典型值為 5μA。

擴頻選項（SPS）

當 SPS 引腳拉高時，工作頻率以開關(guān)頻率為中心 ±6% 變化。如果器件與外部時鐘同步，則內(nèi)部擴頻功能禁用，但器件不會過濾 SYNC 引腳上的外部時鐘，會傳遞外部時鐘的任何調(diào)制（包括擴頻）。

熱關(guān)斷保護

熱關(guān)斷保護可防止器件因過熱而損壞。當結(jié)溫超過 +175°C 時，傳感器關(guān)閉轉(zhuǎn)換器，使 IC 冷卻。結(jié)溫下降 20°C 后，傳感器再次開啟 IC。熱關(guān)斷僅禁用功率開關(guān)，VCC 調(diào)節(jié)器和 IC 邏輯在熱關(guān)斷期間保持活躍。

七、應用設計要點

電感選擇

電感的設計需要在轉(zhuǎn)換器的尺寸、效率、控制、帶寬和穩(wěn)定性之間進行權(quán)衡。對于降壓 - 升壓應用，由于升壓和降壓 - 升壓模式中存在右半平面（RHP）零點，選擇合適的電感值尤為關(guān)鍵。一般來說，電感的峰值 - 峰值電流紋波為最大電感電流的 40% 是速度和效率之間的良好折衷。可根據(jù)以下公式計算電感值： [L{B U C K}=frac{left(V{I N{-} M A X}-V{O U T}right) × V{O U T}}{f{S W} × Delta I{L{P-P}} × V{I N{-} M A X}}] [L{B O O S T}=frac{left(V{OUTMAX }-V{I N}right) × V{I N}}{f{S W} × Delta I{L{P-P}} × V_{OUTMAX }}] 選擇 LBUCK 和 LBOOST 中的較大值作為最終電感值 L，然后根據(jù)以下公式計算實際峰值電感電流： [I{L{P E A K}}=frac{V{OUT } × I{OUT }}{V{INMIN } × eta}+frac{V{INMIN } timesleft(1-frac{V{INMIN }}{V{OUT }}right)}{L × f_{SW} × 2}] 選擇飽和電流比峰值電感電流大 ≈20% 且直流電阻（DCR）低的電感。

最大輸出電流

MAX26239/MAX26240 通過檢測電感峰值電流來限制輸出電流。最大輸出電流取決于影響電感峰值電流的工作條件和組件選擇。在重負載和高輸出電壓下，熱限制會影響輸出電流能力。可使用 θJA 估計特定工作條件下的結(jié)溫，以確定器件是否會觸發(fā)熱關(guān)斷。

輸入電容

輸入電容可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。在降壓模式下，輸入電容會承受高不連續(xù)輸入電流，輸入電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）和電容值會導致峰 - 峰電壓紋波，可根據(jù)以下公式計算： [Delta V{I N}=left(1-frac{V{OUT }}{V{I N}}right) × I{OUT } × E S R+frac{left(1-frac{V{OUT }}{V{I N}}right) × I{OUT } × V{OUT }}{f{S W} × V{I N} × C{I N}}] 根據(jù)給定的最大輸入電壓紋波，可計算輸入電容值： [C{I N}=frac{left(1-frac{V{OUT }}{V{I N}}right) × I{OUT } × V{OUT }}{left(V{I N} × triangle V{I N}-left(V{I N}-V{OUT }right) × I{OUT } × E S Rright) × f{S W}}] 輸入電容應能承受輸入電容的 RMS 電流，可根據(jù)以下公式計算： [I{C I N{R M S}}=frac{I{OUT } × sqrt{V{OUT } timesleft(V{I N}-V{OUT }right)}}{V{I N}}] 最大輸入 RMS 電流發(fā)生在 (V{IN }=2 × VOUT) 時，為 (I{C I N{R M S