探索 MAX42402/MAX42403：高性能同步降壓轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)中，選擇一款合適的降壓轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下 Analog Devices 推出的 MAX42402/MAX42403 36V、2.5A/3.5A 全集成同步降壓轉(zhuǎn)換器，看看它有哪些獨(dú)特的性能和優(yōu)勢(shì)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX42402/MAX42403 是一款小巧的同步降壓轉(zhuǎn)換器，集成了高端和低端開關(guān)。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在 4.5V 至 36V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)提供高達(dá) 2.5A/3.5A 的輸出電流。通過觀察 PGOOD 信號(hào)，我們可以輕松監(jiān)測(cè)電壓質(zhì)量。此外，該轉(zhuǎn)換器能夠以 99%的占空比運(yùn)行，適用于工業(yè)應(yīng)用。

二、關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

2.1 多功能小尺寸設(shè)計(jì)

• 寬輸入電壓范圍：4.5V 至 36V 的輸入電壓范圍，使其能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。
• 集成 FET 的同步 DC - DC 轉(zhuǎn)換器：最高可提供 2.5A/3.5A 的輸出電流，滿足不同負(fù)載需求。
• 超低靜態(tài)電流：在輕載時(shí)自動(dòng)進(jìn)入跳周期模式，無負(fù)載時(shí)靜態(tài)電流僅為 27μA。
• 可選開關(guān)頻率：提供 1.5MHz/400kHz 兩種固定內(nèi)部頻率選項(xiàng)，允許使用小型外部組件并降低輸出紋波。
• 擴(kuò)頻選項(xiàng)：有助于減少 EMI 輻射，提高電磁兼容性。
• 內(nèi)部軟啟動(dòng)：不同頻率下有不同的軟啟動(dòng)時(shí)間，400kHz 時(shí)為 2.5ms，1.5MHz 時(shí)為 3.5ms，可限制啟動(dòng)浪涌電流。
• 可編程輸出電壓：400kHz 時(shí)輸出電壓范圍為 0.8V 至 14V，1.5MHz 時(shí)為 0.8V 至 12V。
• 99%占空比運(yùn)行：具有低 dropout 特性，適用于對(duì)電壓精度要求較高的應(yīng)用。
• 高精度：滿足安全關(guān)鍵應(yīng)用的需求。
• 精準(zhǔn)使能閾值：可實(shí)現(xiàn)完全可編程的欠壓鎖定（UVLO）閾值。
• 準(zhǔn)確的窗口式 PGOOD 信號(hào)：方便監(jiān)測(cè)輸出電壓質(zhì)量。
• 強(qiáng)制 PWM 和跳周期操作模式：可根據(jù)不同的負(fù)載情況選擇合適的工作模式。
• 多種保護(hù)功能：具備過溫、過壓和短路保護(hù)，提高系統(tǒng)的可靠性。
• 小尺寸封裝：采用 3mm x 3mm FC2QFN 封裝，節(jié)省電路板空間。
• 寬工作溫度范圍：-40°C 至 +125°C，適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。

2.2 電氣特性詳解

三、引腳配置與功能

3.1 引腳分布

3.2 引腳功能詳解

• 線性穩(wěn)壓器輸出（BIAS）：器件包含一個(gè) 1.8V 線性穩(wěn)壓器（VBIAS），為內(nèi)部電路塊提供電源。需從 BIAS 到 GND 連接一個(gè) 2.2μF 陶瓷電容。
• 系統(tǒng)使能（EN）：使能控制輸入（EN）用于從低功耗關(guān)斷模式激活器件。將 EN 置高可開啟內(nèi)部線性 BIAS LDO。當(dāng) VBIAS 高于內(nèi)部鎖定閾值（典型值 1.63V）時(shí)，轉(zhuǎn)換器啟用，輸出電壓按編程的軟啟動(dòng)時(shí)間上升。將 EN 置低可關(guān)閉器件，此時(shí) BIAS 穩(wěn)壓器和柵極驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉，靜態(tài)電流降至 2.75μA（典型值）。
• 同步輸入（SYNC）：SYNC 是一個(gè)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 可啟用強(qiáng)制固定頻率操作（FPWM），連接到 GND 可啟用輕載效率的自動(dòng)跳周期模式操作。SYNC 也可連接到外部時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制頻率操作。器件在兩個(gè)周期內(nèi)與外部時(shí)鐘同步，在施加信號(hào)的上升沿同步。當(dāng) SYNC 處的外部時(shí)鐘信號(hào)缺失超過兩個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，IC 切換到使用內(nèi)部時(shí)鐘。
• 軟啟動(dòng)：器件具有固定的內(nèi)部軟啟動(dòng)時(shí)間，取決于頻率。軟啟動(dòng)時(shí)間通過迫使輸出電壓向其調(diào)節(jié)點(diǎn)上升來限制啟動(dòng)浪涌電流。400kHz 時(shí)軟啟動(dòng)斜坡率為 2.5ms（典型值），1.5MHz 時(shí)為 3.5ms（典型值）。
• 擴(kuò)頻：器件具有擴(kuò)頻選項(xiàng)。當(dāng) SPS 引腳置高時(shí)，啟用擴(kuò)頻功能，內(nèi)部工作頻率相對(duì)于內(nèi)部生成的工作頻率變化 ±6%。調(diào)制信號(hào)是一個(gè)周期為 300μs（1.5MHz 時(shí)）或 1.25ms（400kHz 時(shí)）的三角波。如果器件與外部時(shí)鐘同步，則擴(kuò)頻功能禁用。
• 電源良好輸出（PGOOD）：MAX42402/MAX42403 具有開漏電源良好輸出（PGOOD），用于監(jiān)測(cè)輸出電壓質(zhì)量。PGOOD 是一個(gè)高電平有效輸出信號(hào)，當(dāng) VOUT 低于其標(biāo)稱值的 93%（典型值）或高于其標(biāo)稱值的 105%（典型值）時(shí)拉低。需連接一個(gè) 20kΩ（典型值）上拉電阻到外部電源或片上 BIAS 輸出。

四、保護(hù)功能

4.1 過流和短路保護(hù)

器件具有電流限制功能，可保護(hù)輸出免受短路和過載條件的影響。在短路或過載情況下，高端開關(guān)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)閉高端開關(guān)，打開低端開關(guān)，使電感電流下降。當(dāng)電感電流低于低端谷值電流限制閾值時(shí)，轉(zhuǎn)換器再次打開高端開關(guān)。此循環(huán)重復(fù)，直到短路或過載條件消除。當(dāng)輸出電壓在電流限制期間低于調(diào)節(jié)電壓的 50%時(shí)，檢測(cè)到短路，打嗝模式激活，輸出關(guān)閉 35ms（1.5MHz 時(shí)為 10 x 3.5ms）或 25ms（400kHz 時(shí)為 10 x 2.5ms），然后嘗試重啟。只要短路條件存在，此過程將無限重復(fù)。打嗝模式在軟啟動(dòng)期間禁用。

4.2 熱關(guān)斷

熱關(guān)斷功能可保護(hù)器件免受過高溫影響。當(dāng)結(jié)溫超過 +175°C 時(shí)，內(nèi)部傳感器關(guān)閉降壓轉(zhuǎn)換器，使 IC 冷卻。結(jié)溫下降 15°C 后，傳感器再次打開 IC。

4.3 過壓保護(hù)

IC 具有輸出過壓保護(hù)功能。在跳周期模式下發(fā)生過壓事件時(shí)，高端開關(guān)關(guān)閉，低端開關(guān)打開，直到電感電流達(dá)到固定負(fù)值。達(dá)到該值后，低端開關(guān)關(guān)閉，并在下一個(gè)周期再次打開，直到輸出降至過壓下降閾值以下。這樣，輸出迅速放電并恢復(fù)到調(diào)節(jié)狀態(tài)。

五、應(yīng)用信息

5.1 設(shè)置輸出電壓

MAX42402/MAX42403 具有可調(diào)輸出電壓功能。可使用外部電阻分壓器將輸出電壓調(diào)節(jié)在 0.8V 至 14V（1.5MHz 時(shí)為 0.8V 至 12V）之間。計(jì)算公式為： [R{F B 1}=R{F B 2}left[left(frac{V{OUT }}{V{F B}}right)-1right]; where V_{F B}=0.8 V] 同時(shí)，文檔提供了不同輸出電壓范圍的組件選擇建議，包括電感、輸出電容和前饋電容的推薦值。

5.2 輸入電容選擇

輸入濾波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。建議將輸入電容對(duì)稱地分布在兩個(gè) SUP 引腳之間，每個(gè) SUP 引腳連接一個(gè) 2.2μF（最小）陶瓷電容以降低輸入電壓紋波。為提高噪聲免疫力，可在每個(gè) SUP 引腳添加一個(gè) 0.1μF 的高頻陶瓷旁路電容。此外，通常還需要一個(gè)具有較高等效串聯(lián)電阻（ESR）的大容量電容，如電解電容，以降低前端電路的 Q 值，并提供所需的剩余電容以最小化輸入電壓紋波。輸入電容的 RMS 電流要求可通過以下公式計(jì)算： [I{RMS }=I{LOAD(MAX) } timesleft(frac{sqrt{V{OUT } timesleft(V{SUP }-V{OUT }right)}}{V{SUP }}right)] 當(dāng)輸入電壓等于輸出電壓的兩倍時(shí)，(I{RMS}) 達(dá)到最大值： [V{SUP }=2 × V{OUT }] [I{RMS }=frac{I{LOAD(MAX)}}{2}] 為確保長(zhǎng)期可靠性，應(yīng)選擇在 RMS 輸入電流下自熱溫度上升小于 +10°C 的輸入電容。輸入電壓紋波由 (Delta V{Q})（由電容放電引起）和 (Delta V{ESR})（由電容的 ESR 引起）組成。可使用以下公式計(jì)算指定輸入電壓紋波所需的輸入電容和 ESR： [C{I N}=frac{I{OUT } × D(1-D)}{Delta V{Q} × f{S W}}] [D=frac{V{OUT }}{V{SUP }}] [Delta I{L}=frac{left(V{S U P}-V{OUT }right) × V{OUT }}{V{S U P} × f{S W} × L}] [E S R{I N}=frac{Delta V{E S R}}{I{OUT }+Delta I_{L} / 2}]

5.3 輸出電容選擇

輸出電容的選擇應(yīng)滿足輸出電壓紋波、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和環(huán)路穩(wěn)定性要求。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。在此過渡期間，負(fù)載變化需求由輸出電容提供，這會(huì)導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)下沖/過沖。輸出電容也會(huì)影響控制環(huán)路的穩(wěn)定性。輸出紋波由 (Delta V{Q})（由電容放電引起）和 (Delta V{ESR})（由輸出電容的 ESR 引起）組成。應(yīng)使用低 ESR 的陶瓷或鋁電解電容作為輸出電容。對(duì)于鋁電解電容，整個(gè)輸出紋波由 (Delta V_{ESR}) 貢獻(xiàn)?？墒褂靡韵鹿接?jì)算 ESR 要求并