深入剖析 MAX26404/MAX26405/MAX26406：高效同步降壓轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)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。今天我們要深入探討的是 Analog Devices 推出的 MAX26404/MAX26405/MAX26406 系列 36V、4A/5A/6A 全集成同步 Silent Switcher 降壓轉(zhuǎn)換器，看看它在實(shí)際應(yīng)用中能為我們帶來哪些驚喜。

文件下載：MAX26404.pdf

產(chǎn)品概述

MAX26404/MAX26405/MAX26406 是一款體積小巧、低 EMI 輻射的同步降壓轉(zhuǎn)換器，集成了高端和低端開關(guān)。它能夠在 3V 至 36V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)提供高達(dá) 6A 的輸出電流，并且可以通過觀察 PGOOD 信號來監(jiān)測電壓質(zhì)量。該系列產(chǎn)品在 99% 的占空比下仍能正常工作，非常適合汽車和工業(yè)應(yīng)用。

特性與優(yōu)勢

1. Silent Switcher 技術(shù)：這種技術(shù)使得轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊、高效且低 EMI 的解決方案。通過采用擴(kuò)頻頻率調(diào)制，對稱封裝設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升了 EMI 性能，同時(shí)還集成了多種功能，減小了產(chǎn)品尺寸。
2. 寬輸入電壓范圍：3V 至 36V 的輸入電壓范圍，讓它能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，增加了產(chǎn)品的通用性。
3. 超低靜態(tài)電流：在輕載時(shí)自動進(jìn)入跳周期模式，無負(fù)載時(shí)靜態(tài)電流僅為 10μA，大大降低了功耗，提高了能源效率。
4. 固定頻率選項(xiàng)：內(nèi)部固定頻率為 2.1MHz 或 400kHz，不僅可以使用小型外部組件，還能減少輸出紋波，避免 AM 干擾。
5. 可編程輸出電壓：支持 0.8V 至 10V 的可編程輸出電壓，也提供 3.3V 和 5.0V 的固定輸出電壓選項(xiàng)，滿足不同應(yīng)用的需求。
6. 雙相能力：可用于雙相配置，實(shí)現(xiàn)高達(dá) 20A 的輸出電流，并且具有動態(tài)電流共享功能，確保高功率設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。
7. 高精度輸出：在 FPWM 模式下，無負(fù)載時(shí)輸出電壓精度可達(dá) ±1%，同時(shí)通過 PGOOD 信號可以精確監(jiān)測輸出電壓。
8. MAXQ 電源架構(gòu)：提供精確的瞬態(tài)性能和相位裕度，在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)最大功率、性能和精度。
9. 強(qiáng)大的保護(hù)功能：具備過溫保護(hù)和短路保護(hù)功能，工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，確保產(chǎn)品在惡劣環(huán)境下的可靠性。

詳細(xì)工作原理

多相操作

該系列產(chǎn)品支持雙相操作，適用于高電流應(yīng)用。每個 IC 可以配置為控制器或目標(biāo)，多相操作僅適用于強(qiáng)制 PWM 模式?？刂破鞯?SYNCOUT 引腳輸出與時(shí)鐘信號 180° 異相的時(shí)鐘，當(dāng)設(shè)備處于跳周期模式時(shí)，SYNCOUT 引腳無時(shí)鐘輸出。為了在雙相配置中實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行，可以禁用目標(biāo)的 EN 引腳，關(guān)閉 IC 以節(jié)省靜態(tài)電流。

線性穩(wěn)壓器輸出（BIAS）

芯片內(nèi)部集成了一個 1.8V 的線性穩(wěn)壓器（VBIAS），為內(nèi)部電路模塊提供電源。在啟動期間，偏置穩(wěn)壓器從輸入獲取電源，啟動完成后（如果輸出電壓大于 2.5V），將切換到輸出電源。對于輸出電壓小于 1.8V 的情況，偏置穩(wěn)壓器始終連接到輸入。

系統(tǒng)使能（EN）

使能控制輸入（EN）用于將設(shè)備從低功耗關(guān)機(jī)模式激活。EN 與汽車電池電壓至 3V 的輸入兼容，當(dāng) EN 為高電平時(shí)，內(nèi)部線性（BIAS）穩(wěn)壓器開啟，當(dāng) VBIAS 高于內(nèi)部鎖定閾值時(shí)，轉(zhuǎn)換器激活，輸出電壓以編程的軟啟動時(shí)間上升。當(dāng) EN 為低電平時(shí)，設(shè)備關(guān)閉，偏置穩(wěn)壓器和柵極驅(qū)動器關(guān)閉，關(guān)機(jī)狀態(tài)下靜態(tài)電流可降低至 4μA。

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。將 SYNC 連接到 BIAS 或外部時(shí)鐘可啟用強(qiáng)制固定頻率（FPWM）操作，連接到 GND 則啟用自動跳周期模式，以提高輕載效率。IC 在 SYNC 引腳的上升沿與外部時(shí)鐘同步，若外部時(shí)鐘信號缺失超過兩個時(shí)鐘周期，設(shè)備將使用內(nèi)部時(shí)鐘。

軟啟動

芯片內(nèi)置了一個固定的 2.5ms 軟啟動功能，通過強(qiáng)制輸出電壓向調(diào)節(jié)點(diǎn)斜坡上升，限制啟動浪涌電流。

擴(kuò)頻選項(xiàng)

該系列產(chǎn)品提供擴(kuò)頻選項(xiàng)，可增強(qiáng) EMI 性能。啟用擴(kuò)頻后，工作頻率將以開關(guān)頻率為中心，在 ±3% 的范圍內(nèi)變化。調(diào)制信號為三角波，頻率為 4.5kHz（2.1MHz 時(shí)）。當(dāng)設(shè)備與外部時(shí)鐘同步時(shí)，內(nèi)部擴(kuò)頻功能將被禁用，但設(shè)備不會過濾 SYNC 輸入時(shí)鐘中的任何調(diào)制信號。

短路保護(hù)

芯片具備電流限制功能，可保護(hù)設(shè)備免受輸出短路和過載情況的影響。在短路或過載情況下，高端 MOSFET 保持導(dǎo)通，直到電感電流達(dá)到指定的 LX 電流限制閾值，然后轉(zhuǎn)換器關(guān)閉高端 MOSFET，打開低端 MOSFET，使電感電流下降。當(dāng)電感電流低于電流限制閾值時(shí)，轉(zhuǎn)換器再次打開高端 MOSFET，如此循環(huán)，直到短路或過載情況消除。如果檢測到硬短路，將激活打嗝模式，輸出關(guān)閉 25ms，然后進(jìn)入軟啟動并重新上電，只要短路存在，此過程將無限重復(fù)。在軟啟動期間，打嗝模式將被禁用。

應(yīng)用信息

輸出電壓設(shè)置

如果需要固定的 5V 或 3.3V 輸出電壓，可將 FB 引腳連接到 BIAS。若要設(shè)置 0.8V 至 10V 之間的其他輸出電壓，則需要使用從輸出（OUT）到 GND 的電阻分壓器。選擇 RFB2（FB 到 GND 的電阻）小于或等于 100kΩ，并根據(jù)公式 (R{FB 1}=R{FB 2} timesleft(frac{V{OUT }}{V{FB}}-1right)) 計(jì)算 (R_{FB 1})（OUT 到 FB 的電阻）。

雙相操作

在雙相配置中，每個 IC 可以配置為控制器或目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行，可將控制器的 SYNC 引腳拉低（跳周期模式），并將目標(biāo)的 EN 引腳拉低，禁用目標(biāo)及其內(nèi)部電路，進(jìn)一步降低功耗。設(shè)置輸出電壓時(shí)，若使用內(nèi)部固定電壓，需為控制器和目標(biāo) IC 選擇相同的固定 VOUT 設(shè)置，并將 FB 引腳連接到各自的 BIAS；若要設(shè)置其他輸出電壓，則需要為每個 IC 使用獨(dú)立的電阻分壓器。

電感選擇

電感的設(shè)計(jì)需要在轉(zhuǎn)換器的尺寸、效率、控制環(huán)路帶寬和穩(wěn)定性之間進(jìn)行權(quán)衡。電感值過小會增加電感電流紋波，導(dǎo)致更高的傳導(dǎo)損耗和輸出電壓紋波，甚至可能引起電流模式控制不穩(wěn)定；電感值過大則會增加解決方案的尺寸和成本，并減緩響應(yīng)速度。對于不同的開關(guān)頻率，推薦的電感值如下：400kHz 時(shí)為 4.7μH，2.1MHz 時(shí)為 1.0μH。

輸入電容

輸入濾波電容用于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。為了獲得良好的 EMI 性能，應(yīng)在封裝兩側(cè)的 SUP 引腳連接兩個高頻 0603 或更小的電容，并在 SUP 引腳連接一個高質(zhì)量的 4.7μF（或更大）低 ESR 陶瓷電容。同時(shí)，通常還需要一個具有較高 ESR 的大容量電容（如電解電容），以降低前端電路的 Q 值，提供所需的剩余電容，最小化輸入電壓紋波。

輸出電容

輸出電容的選擇需要滿足輸出負(fù)載瞬態(tài)、輸出電壓紋波和閉環(huán)穩(wěn)定性的要求。在負(fù)載階躍期間，輸出電流幾乎瞬間變化，而電感反應(yīng)較慢，此時(shí)負(fù)載電荷需求由輸出電容提供，可能導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)下沖或過沖。對于采用電感電流控制的降壓轉(zhuǎn)換器，輸出電容還會影響控制環(huán)路的穩(wěn)定性。輸出紋波由電容放電引起的 (Delta V{Q}) 和輸出電容 ESR 引起的 (Delta V{ESR}) 組成。建議使用低 ESR 的陶瓷或鋁電解電容作為輸出電容，并根據(jù)具體要求計(jì)算所需的 ESR 和電容值。

PCB 布局指南

PCB 布局對于實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗和干凈、穩(wěn)定的操作至關(guān)重要。為了獲得更好的抗噪聲性能和散熱效果，建議盡可能使用多層板。以下是一些 PCB 布局的關(guān)鍵指南：

1. 正確使用 IC 封裝：使用正確的 IC 封裝，并在 IC 封裝下方放置盡可能多的銅層，以確保高效的熱傳遞。
2. 輸入旁路電容布局：將陶瓷輸入旁路電容（CBP 和 (C_{IN})）盡可能靠近 IC 的 SUP 和 PGND 引腳放置，并使用低阻抗連接（無過孔或其他不連續(xù)性），以提供最佳的 EMI 抑制效果，減少內(nèi)部噪聲對設(shè)備性能的影響。
3. 電感和電容布局：合理布局電感（L）、輸出電容（(C{OUT})）、自舉電容（(C{BST})）和 BIAS 電容（(C{BIAS})），以最小化電流環(huán)路所包圍的面積。將電感靠近 IC 的 LX 引腳放置，減小 LX 節(jié)點(diǎn)的面積；將輸出電容靠近電感放置，使 (C{OUT}) 的接地端靠近 (C_{IN}) 的接地連接，以減小電流環(huán)路面積；將 BIAS 電容放置在 BIAS 引腳旁邊。
4. 自舉電容布局：將自舉電容 (C{BST}) 靠近 IC 放置，并使用短而寬的走線，以最小化環(huán)路面積，減少寄生電感。使用最近的層作為返回走線（(C{BST}) 到 LX），進(jìn)一步降低電感。
5. 接地平面設(shè)計(jì)：在 IC 相鄰層使用連續(xù)的銅接地平面，屏蔽整個電路。在頂層也應(yīng)圍繞整個電路進(jìn)行接地填充，確保所有散熱組件與銅層有足夠的連接，以實(shí)現(xiàn)良好的散熱效果。使用多個過孔互連接地平面/區(qū)域，以降低阻抗并實(shí)現(xiàn)最大散熱。在 IC 的 PGND 端子和輸入/輸出/旁路電容處放置過孔，避免將 PGND 和接地連接分開或隔離。
6. 反饋電阻布局：如果使用反饋電阻分壓器，應(yīng)將其靠近 IC 放置，并將反饋和 OUT 連接遠(yuǎn)離電感、LX 節(jié)點(diǎn)和其他噪聲信號。

典型應(yīng)用電路

文檔中提供了三種典型應(yīng)用電路，分別是單相 400kHz、6A 操作，單相 2.1MHz、6A 操作，以及雙相控制器 - 目標(biāo) 2.1MHz、12A 操作。這些電路展示了如何根據(jù)不同的應(yīng)用需求配置 MAX26404/MAX26405/MAX26406，為工程師的實(shí)際設(shè)計(jì)提供了參考。

訂購信息

MAX26404/MAX26405/MAX26406 系列產(chǎn)品提供了多種型號選擇，可根據(jù)不同的輸出電壓、最大負(fù)載電流、頻率和擴(kuò)頻選項(xiàng)進(jìn)行訂購。所有 IC 默認(rèn)開啟擴(kuò)頻功能，如需關(guān)閉擴(kuò)頻功能，可聯(lián)系廠家。

綜上所述，MAX26404/MAX26405/MAX26406 系列降壓轉(zhuǎn)換器憑借其豐富的功能、卓越的性能和良好的可靠性，在電源管理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。無論是汽車、工業(yè)、電信還是服務(wù)器等領(lǐng)域，它都能為工程師提供一個高效、穩(wěn)定的電源解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇器件參數(shù)，并遵循 PCB 布局指南，以充分發(fā)揮該系列產(chǎn)品的優(yōu)勢。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。