深度剖析MAX20812：高效雙輸出降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中，電源管理芯片的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定與效率。今天，我們就來深入了解一款備受矚目的雙輸出降壓開關(guān)穩(wěn)壓器——MAX20812。

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一、產(chǎn)品概述

MAX20812/MAX20812T是高度集成的高效雙輸出降壓DC - DC開關(guān)穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍為2.7V至16V，每個(gè)輸出電壓可在0.5V至5.8V之間調(diào)節(jié)，單輸出電流最大可達(dá)6A。值得一提的是，MAX20812可將兩個(gè)輸出并聯(lián)，作為單輸出雙相穩(wěn)壓器，支持高達(dá)12A的負(fù)載電流。

產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 高功率密度與低元件數(shù)量：采用緊湊的3.5mm x 4.6mm、21引腳FC2QFN封裝，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換，減少了外部元件的使用，降低了設(shè)計(jì)成本和電路板面積。
2. 雙輸出或雙相操作：用戶可根據(jù)實(shí)際需求靈活配置，既可以作為獨(dú)立的雙輸出穩(wěn)壓器，為不同的負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓；也可以將兩個(gè)輸出并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)更高的負(fù)載電流能力。
3. 單電源操作與集成LDO：集成了LDO用于偏置生成，同時(shí)還可選擇2.5V至5.5V的外部偏置，進(jìn)一步提高效率。
4. 寬工作范圍：輸入電壓范圍為2.7V至16V，輸出電壓范圍為0.5V至5.8V，適用于多種不同的應(yīng)用場景。
5. 可配置開關(guān)頻率：開關(guān)頻率可在500kHz至3.0MHz之間配置，工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用需求，在解決方案尺寸和性能之間進(jìn)行優(yōu)化。
6. 多種保護(hù)功能：集成了正、負(fù)過流保護(hù)、輸出過壓保護(hù)和過溫保護(hù)等多種保護(hù)功能，確保了設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性。

二、技術(shù)細(xì)節(jié)分析

控制架構(gòu)

MAX20812/MAX20812T采用固定頻率、峰值電流模式控制架構(gòu)。每個(gè)控制回路包含誤差放大器、內(nèi)部電壓環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、電流檢測、內(nèi)部斜率補(bǔ)償和PWM調(diào)制器。固定的0.5V參考電壓（VREF）與檢測到的輸出電壓的差值經(jīng)過誤差放大器放大，其輸出電壓（VERR）作為電壓環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸入，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸出（VCOMP）與電流檢測信號(hào)（VISENSE）和斜率補(bǔ)償（VRAMP）一起輸入到PWM比較器，最終生成PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)高低側(cè)MOSFET。

先進(jìn)調(diào)制方案（AMS）

AMS是MAX20812/MAX20812T的一大特色，它提供了可選的先進(jìn)調(diào)制方案，能顯著改善動(dòng)態(tài)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。與傳統(tǒng)的固定頻率PWM方案相比，AMS允許在前沿和后沿進(jìn)行調(diào)制，在大負(fù)載瞬變時(shí)實(shí)現(xiàn)快速的開關(guān)響應(yīng)，減少了輸出電容的電流需求，同時(shí)可以擴(kuò)展系統(tǒng)閉環(huán)帶寬而不損失相位裕度，從而最小化輸出電容。

不連續(xù)電流模式（DCM）操作

DCM操作可提高輕載效率。當(dāng)VDDH比所需的VOUT至少高2V時(shí)，設(shè)備可進(jìn)入DCM模式。設(shè)備通過DCM電流檢測比較器監(jiān)測電感谷值電流，在輕載時(shí)，若電感谷值電流連續(xù)48個(gè)周期低于DCM比較器閾值，設(shè)備無縫過渡到DCM模式，隨著負(fù)載降低，開關(guān)頻率也會(huì)降低。當(dāng)電感谷值電流高于100mA時(shí)，設(shè)備回到CCM模式。

主動(dòng)電流平衡

在MAX20812配置為雙相操作時(shí)，具備主動(dòng)電流平衡功能，可在兩個(gè)相電流之間實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的動(dòng)態(tài)電流共享或平衡。即使在負(fù)載階躍頻率接近開關(guān)頻率或其諧波時(shí)，也能在負(fù)載瞬變期間保持電流平衡。主動(dòng)電流平衡電路通過調(diào)整各個(gè)相電流控制信號(hào)，將相電流不平衡降至最低。

內(nèi)部線性穩(wěn)壓器

MAX20812內(nèi)部包含一個(gè)1.8V線性穩(wěn)壓器，VCC上的1.8V電壓默認(rèn)從VDDH1引腳獲取。為提高效率，建議在LDOIN引腳施加2.5V至5.5V的外部偏置輸入電源，使VCC上的1.8V電壓從LDOIN引腳轉(zhuǎn)換而來。LDOIN引腳可連接到輸出電壓（若輸出電壓在2.5V至5.5V范圍內(nèi)），并且在調(diào)節(jié)過程中可隨時(shí)施加或移除該偏置輸入電源，而不影響調(diào)節(jié)。

啟動(dòng)和關(guān)機(jī)

當(dāng)AVDD引腳電壓高于其上升UVLO閾值時(shí)，設(shè)備進(jìn)行初始化程序，檢測雙輸出或雙相操作模式，讀取PGM_引腳的配置電阻。初始化完成后，檢測VDDH UVLO和EN_狀態(tài)，當(dāng)兩者都高于上升閾值時(shí)，開始軟啟動(dòng)并啟用開關(guān)，輸出電壓開始上升。軟啟動(dòng)斜坡時(shí)間為3ms，若沒有故障，軟啟動(dòng)斜坡完成后，開漏PGOOD_引腳釋放低電平。在運(yùn)行過程中，若VDDH UVLO或EN_低于閾值，開關(guān)立即停止，PGOOD_引腳拉低，輸出電壓由負(fù)載電流放電。

故障處理

1. 輸入欠壓鎖定（VDDH UVLO）：內(nèi)部UVLO電路監(jiān)測VDDH，當(dāng)輸入電源電壓低于UVLO閾值時(shí)，設(shè)備停止開關(guān)并將PGOOD_引腳拉低。若VDDH UVLO狀態(tài)清除，設(shè)備在20ms的打嗝保護(hù)時(shí)間后重啟。
2. 輸出過壓保護(hù)（OVP）：軟啟動(dòng)斜坡完成后，監(jiān)測SNSP_上的反饋電壓，若反饋電壓超過OVP閾值且超過OVP去毛刺濾波延遲，設(shè)備停止開關(guān)并將PGOOD_引腳拉低。若OVP狀態(tài)清除，設(shè)備在20ms的打嗝保護(hù)時(shí)間后重啟。在雙輸出操作模式下，一個(gè)輸出的OVP不影響另一個(gè)輸出的操作。
3. 正過流保護(hù)（POCP）：設(shè)備的峰值電流模式控制架構(gòu)提供了固有的電流限制和短路保護(hù)。在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，持續(xù)監(jiān)測電感電流，當(dāng)電感峰值電流超過POCP閾值時(shí)，設(shè)備關(guān)閉高側(cè)MOSFET并打開低側(cè)MOSFET，使電感電流通過輸出電壓放電。使用一個(gè)上下計(jì)數(shù)器累積連續(xù)POCP事件的數(shù)量，若計(jì)數(shù)器超過1024，設(shè)備停止開關(guān)并將PGOOD_引腳拉低。設(shè)備在20ms的打嗝保護(hù)時(shí)間后重啟。在雙輸出操作模式下，一個(gè)輸出的POCP不影響另一個(gè)輸出的操作。
4. 負(fù)過流保護(hù)（NOCP）：針對電感谷值電流，設(shè)備具有負(fù)過流保護(hù)。NOCP閾值為POCP閾值的 - 83%。在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)電感電流超過NOCP閾值時(shí)，設(shè)備關(guān)閉低側(cè)MOSFET并打開高側(cè)MOSFET 180ns，使電感電流通過輸入電壓充電。同樣使用上下計(jì)數(shù)器累積連續(xù)NOCP事件的數(shù)量，若計(jì)數(shù)器超過1024，設(shè)備停止開關(guān)并將PGOOD_引腳拉低。設(shè)備在20ms的打嗝保護(hù)時(shí)間后重啟。在雙輸出操作模式下，一個(gè)輸出的NOCP不影響另一個(gè)輸出的操作。
5. 過溫保護(hù)（OTP）：過溫保護(hù)閾值為 + 155°C，具有20°C的滯后。若在運(yùn)行過程中結(jié)溫達(dá)到OTP閾值，設(shè)備停止開關(guān)并將PGOOD_引腳拉低。OTP狀態(tài)清除后，設(shè)備重啟。

引腳編程

MAX20812/MAX20812T有三個(gè)編程引腳（PGM0、PGM1和PGM2），通過連接從PGM_引腳到AGND的引腳電阻，在啟動(dòng)初始化時(shí)讀取其值，從而設(shè)置設(shè)備的一些關(guān)鍵配置。PGM0選擇適用于兩個(gè)輸出的通用設(shè)置（AMS和開關(guān)頻率）；在雙輸出操作模式下，PGM1選擇OUTPUT1的POCP和內(nèi)部補(bǔ)償參數(shù)，PGM2選擇OUTPUT2的POCP和內(nèi)部補(bǔ)償參數(shù)；在雙相操作模式下，POCP和內(nèi)部補(bǔ)償參數(shù)僅由PGM1選擇。

三、參考設(shè)計(jì)步驟

輸出電壓感測

MAX20812/MAX20812T內(nèi)部有0.5V參考電壓，當(dāng)所需輸出電壓高于0.5V時(shí)，需使用電阻分壓器RFB1和RFB2來感測輸出電壓。建議RFB2的值不超過5kΩ，電阻分壓器比例由公式(V{OUT }=V{REF } times(1+frac{R{FB 1}}{R{FB 2}}))計(jì)算。

開關(guān)頻率選擇

開關(guān)頻率可在500kHz至3MHz之間選擇。對于注重解決方案尺寸的應(yīng)用，建議選擇較高的開關(guān)頻率，以減小輸出LC濾波器的數(shù)值和尺寸；對于注重效率和散熱的應(yīng)用，建議選擇較低的開關(guān)頻率，以減少開關(guān)損耗。同時(shí)，要確保所選頻率不違反最小可控導(dǎo)通時(shí)間和最小可控關(guān)斷時(shí)間的限制，最大推薦開關(guān)頻率由公式(f{SWMAX }=MIN{frac{V{OUT }}{t{ONMIN } × V{DDHMAX }}, frac{V{D D H M N}-V{OUT }}{t{OFFMIN } × V{D D H M N}}})計(jì)算。

輸出電感選擇

輸出電感對穩(wěn)壓器的整體尺寸、成本和效率有重要影響。為提高電流環(huán)路抗噪性，通常選擇電感電流紋波至少為1A的電感，電感值由公式(L=frac{V{OUT }(V{D D H}-V{OUT })}{V{D D H} × I{RIPPLE } × f{S W}})計(jì)算。同時(shí)，要確保所選電感能保證最大負(fù)載電流的傳輸，考慮到POCP比較器觸發(fā)到高側(cè)MOSFET關(guān)斷的去毛刺延遲，調(diào)整后的POCP閾值由公式(POCP{ADJUST }=POCP+frac{(V{D D H}-V{OUT }) × t{POCP }}{L})計(jì)算，并且要驗(yàn)證正常運(yùn)行時(shí)的電感峰值電流不超過最小調(diào)整后的POCP閾值。

輸出電容選擇

輸出電容的選擇主要考慮輸出電壓紋波和負(fù)載瞬變時(shí)的最大允許輸出電壓過沖和下沖。滿足輸出電壓紋波要求的最小輸出電容由公式(C{OUT } geq frac{I{RIPPLE }}{8 × N × f{SW} times(V{OUTRIPPLE }-ESR × I{RIPPLE })})計(jì)算；考慮負(fù)載瞬變的最小輸出電容由公式(C{OUT } geq MAX{frac{(frac{Delta I}{N}+frac{I{RIPPLE }}{2})^{2} × L × N}{2 × Delta V{OUT } times(V{D D H}-V{OUT })}, frac{(frac{Delta I}{N}+frac{I{RIPPLE }}{2})^{2} × L × N}{2 × Delta V{OUT } × V_{OUT }}})計(jì)算。

輸入電容選擇

輸入電容的選擇由輸入電壓紋波要求決定。在雙輸出操作模式下，輸入電容由兩個(gè)輸出共享，最小所需輸入電容由公式(C{I N} geq MAX{frac{I{OUT1 ( MAX)} × V{OUT 1}}{f{SW 1} × V{D D H} × V{INPP }}, frac{I{OUT 2(MAX) } × V{OUT 2}}{f{SW 2} × V{D D H} × V{INPP }}})計(jì)算；在雙相操作模式下，最小所需輸入電容由公式(C{IN} geq frac{I{OUT(MAX) } × V{OUT }}{2 × f{SW} × V{D D H} × V_{INPP }})計(jì)算。此外，還需在每個(gè)VDDH_引腳旁邊放置0.1μF和1μF的高頻去耦電容，以抑制高頻開關(guān)噪聲。

內(nèi)部補(bǔ)償選擇

1. 電壓環(huán)路增益：為保證穩(wěn)定性，建議電壓環(huán)路帶寬（BW）低于開關(guān)頻率的1/5。對于使用MLCC輸出電容的情況，電壓環(huán)路BW可由公式(B W=frac{N × frac{R{FB 2}}{R{FB 2}+R{FB 1}} × frac{R{VGA}}{10 k Omega}}{2 pi × 20 m Omega × C_{OUT }})估算，其中RVGA由PGM_引腳電阻選擇的開關(guān)頻率和電壓環(huán)路增益乘數(shù)設(shè)置。
2. 斜率補(bǔ)償：當(dāng)占空比高于50%時(shí)，應(yīng)用斜率補(bǔ)償以保證電流環(huán)路穩(wěn)定性；對于占空比小于50%的應(yīng)用，也建議應(yīng)用斜率補(bǔ)償以提高電流環(huán)路抗噪性。最小和最大斜率補(bǔ)償值由公式(frac{V{OUT }}{L} × C{SLOPE } × frac{1.6 Omega}{25} leq SLOPE leq frac{V{IN } × f{SW} × C{SLOPE }}{V{OUT }}[800 mV-(frac{I{OUTMAX }}{N}+frac{I{RIPPLE }}{2}) × frac{1.6 Omega}{25}])計(jì)算，其中CSLOPE = 5pF。MAX20812/MAX20812T的斜率補(bǔ)償選項(xiàng)可通過PGM1和PGM2上的電阻值選擇。

四、PCB布局指南

1. 電源接地層：為了電氣和散熱考慮，PCB的頂層和底層的第二層應(yīng)預(yù)留為電源接地（PGND）平面。
2. 輸入去耦電容：輸入去耦電容應(yīng)盡可能靠近IC，且距離VDDH_引腳不超過40密耳。
3. VCC去耦電容：VCC去耦電容應(yīng)連接到PGND，并盡可能靠近VCC引腳放置。
4. 模擬接地：使用模擬接地銅多邊形或島連接所有模擬控制信號(hào)接地，該“安靜”的模擬接地銅多邊形或島應(yīng)通過靠近AGND引腳的單個(gè)連接連接到PGND，可作為控制信號(hào)（PGM和SNSP）的屏蔽和接地參考。
5. AVDD去耦電容：AVDD去耦電容應(yīng)連接到AGND，并盡可能靠近AVDD引腳放置。
6. 升壓電容：升壓電容應(yīng)盡可能靠近LX_和BST_引腳，與IC在PCB的同一側(cè)。
7. 反饋電阻分壓器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)：反饋電阻分壓器和可選的外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)應(yīng)靠近IC放置，以減少噪聲注入。
8. 電壓感測線：電壓感測線應(yīng)通過接地平面屏蔽，并遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)和電感。
9. 過孔：對于所有承載高電流的路徑和散熱路徑，建議使用多個(gè)過孔。
10. 元件布局：輸入電容和輸出電感應(yīng)靠近IC放置，連接到這些元件的走線應(yīng)盡可能短而寬，以最小化寄生電感和電阻。

五、總結(jié)

MAX20812以其豐富的功能、靈活的配置和高效的性能，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。通過合理的參考設(shè)計(jì)和精心的PCB布局，能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，滿足各種不同應(yīng)用場景的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，工程師們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，仔細(xì)選擇各項(xiàng)參數(shù)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。大家在使用MAX20812進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有沒有遇到過什么特別的挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。