MAX38802/MAX38803：集成式降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的卓越之選

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們要深入探討的是 Maxim 推出的 MAX38802/MAX38803 集成式降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，它為眾多應(yīng)用提供了高效、靈活且可靠的電源解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

MAX38802/MAX38803 是完全集成的高效開關(guān)穩(wěn)壓器，適用于輸入電源為 6.5V 至 14V、最大負載高達 25A 的應(yīng)用。這兩款單芯片穩(wěn)壓器為需要快速瞬態(tài)響應(yīng)的精密輸出提供了緊湊、高效的電源傳輸解決方案。它們具有不同的可編程選項，包括內(nèi)部/外部參考電壓、輸出電壓設(shè)定點、開關(guān)頻率、過流保護水平（OCP）和軟啟動時序等，還可通過引腳綁定啟用不連續(xù)電流模式（DCM）以提高輕載效率。

1.1 應(yīng)用領(lǐng)域

• 服務(wù)器/微服務(wù)器：為 I/O 和芯片組供電。
• GPU 核心供電：滿足高性能圖形處理單元的電源需求。
• DDR 內(nèi)存：為 VDDQ、VPP 和 VTT 負載點（PoL）應(yīng)用提供穩(wěn)定電源。

1.2 產(chǎn)品特性與優(yōu)勢

• 高效解決方案：峰值效率高達 97%，滿載效率高達 87%，啟用 DCM 時 1A 輕載效率高達 96%。
• 靈活設(shè)計：引腳兼容 MAX38800（9A）和 MAX38801（15A），可編程開關(guān)頻率高達 1MHz，可編程軟啟動和 STAT 延遲時序，可編程參考電壓并支持外部輸入選項，可編程正、負 OCP 限制。
• 先進架構(gòu)、保護與報告：模擬電流或溫度報告，差分遠程感測并具備開路檢測功能，采用 Quick - PWM? 架構(gòu)實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，基于百分比的輸出電源良好和過壓保護（OVP），開漏狀態(tài)指示（STAT）引腳，輸入欠壓和過壓鎖定，自適應(yīng)死區(qū)時間控制。
• 節(jié)省電路板空間：集成升壓開關(guān)，采用 27 凸點（2.2mm x 3.8mm）WLCSP 封裝，可使用陶瓷輸入和輸出電容器。

二、電氣特性

2.1 電源電壓與電流

• 12V 電源電壓范圍：6.5V 至 14V。
• 1.8V 電源電壓范圍：1.71V 至 1.89V。
• VCC 電源電流：CCM 模式下最大 35mA，DCM 模式下 25mA，關(guān)斷模式下 32μA 至 132μA。

2.2 參考電壓

可編程參考電壓為 0.6V 或 0.95V，VREF 容差在 35°C 時為 - 0.5% 至 + 0.5%，VREF 容差溫度系數(shù)在 0°C 至 100°C 時為 0.0106%/°C。

2.3 反饋環(huán)路與開關(guān)頻率

• RSENSE 增益：有 1.4mV/A、2.8mV/A 和 5.4mV/A 可選。
• 開關(guān)頻率精度：相對于標稱值在 - 20% 至 + 20% 范圍內(nèi)。
• 低開關(guān)頻率閾值（DCM 啟用）：30kHz。
• 強制最小開關(guān)頻率（DCM 啟用）：60kHz。

2.4 輸入保護

• VDDH 欠壓鎖定（UVLO）閾值：上升閾值為 5.8V 至 6.5V，下降閾值為 5.1V 至 5.9V，滯回為 650mV。
• VDDH 過壓鎖定（OVLO）閾值：上升閾值為 14.3V 至 15.3V，下降閾值為 13.8V 至 14.8V，滯回為 470mV。
• VCC 和 BST 的 UVLO 閾值及滯回：也有相應(yīng)規(guī)定。

2.5 輸出電壓保護（OVP）

過壓保護上升閾值相對于編程輸出電壓為 9.5% 至 16.5%，過壓保護消抖濾波時間為 25μs 至 36μs，電源良好保護下降閾值為 4.5% 至 12%，上升閾值為 3% 至 9%，電源良好消抖濾波時間為 25μs 至 36μs。

2.6 過流保護（OCP）

正、負過流保護閾值有多個可選值，過流保護閾值容差為 - 20% 至 20%，正電流 OCP 滯回為 12% 至 18%，負電流 OCP 滯回為 0。

2.7 過溫保護（OTP）

過溫保護啟動閾值為 130°C 至 150°C，滯回為 - 30°C 至 - 10°C。

2.8 溫度與電流報告

溫度報告范圍為 0°C 至 125°C，溫度報告容差為 - 4°C 至 4°C；電流報告范圍為 0A 至 25A，電流報告容差在空載至滿載時為 - 2A 至 2A，滿載時為 - 8% 至 8%。

三、典型工作特性

3.1 輸出電流與環(huán)境溫度關(guān)系

通過多組曲線展示了不同輸出電壓（如 0.8V、1.2V、1.8V、5.0V 等）下，輸出電流隨環(huán)境溫度的變化情況，同時考慮了不同的風量（0LFM、200LFM、400LFM）和是否使用散熱片的情況。這有助于工程師在不同的應(yīng)用場景下評估穩(wěn)壓器的性能。

3.2 安全工作區(qū)（SOA）

給出了不同條件下（如不同風量、是否使用散熱片）的安全工作區(qū)曲線，直觀地展示了穩(wěn)壓器在不同環(huán)境溫度和輸出電流下的安全工作范圍，為設(shè)計人員提供了重要的參考依據(jù)。

3.3 效率與負載電流關(guān)系

展示了不同輸出電壓下，效率隨負載電流的變化曲線，包括 DCM 啟用和禁用兩種情況。這有助于工程師根據(jù)實際負載需求選擇合適的工作模式，以提高電源效率。

3.4 功率損耗與負載電流關(guān)系

同樣給出了不同輸出電壓下，功率損耗隨負載電流的變化曲線，幫助工程師評估穩(wěn)壓器在不同負載下的功耗情況。

3.5 啟動與關(guān)斷特性

通過波形圖展示了在不同條件下（如 OE 信號、VDDH、VCC 等）的啟動和關(guān)斷過程，包括輸出電壓、STAT 信號、VX 信號等的變化情況，方便工程師了解穩(wěn)壓器的動態(tài)響應(yīng)特性。

3.6 負載瞬態(tài)響應(yīng)

展示了在 CCM 和 DCM 模式下的負載瞬態(tài)響應(yīng)波形，包括負載階躍和卸載時的輸出電壓、電感電流等的變化情況，體現(xiàn)了穩(wěn)壓器在快速負載變化時的響應(yīng)能力。

3.7 過流保護特性

通過波形圖展示了正、負過流保護時的輸出電壓、STAT 信號和電感電流的變化情況，確保了穩(wěn)壓器在過流情況下的安全運行。

四、引腳配置與描述

4.1 引腳配置

MAX38802/MAX38803 采用 27 凸點 WLCSP 封裝，引腳布局經(jīng)過精心設(shè)計，以滿足不同的功能需求。

4.2 引腳描述

• SENSE -：負遠程感測/外部參考輸入，可連接到負載地或外部參考電壓。
• AGND：模擬/信號地，需連接到接地平面。
• STAT：開漏狀態(tài)輸出，低電平表示故障或輸出欠壓、過壓事件。
• PGM：編程輸入/遙測輸出，通過連接編程電阻和電容來確定穩(wěn)壓器的設(shè)置。
• SENSE +：正遠程感測輸入，連接到負載的 VOUT。
• OE：輸出使能輸入，通過 20kΩ 電阻連接到使能信號，可清除故障保護鎖存。
• VCC：電源電壓輸入，為穩(wěn)壓器的模擬、數(shù)字和柵極驅(qū)動電路供電，需用 1μF 或更大的陶瓷電容旁路到電源地。
• VDDH：電源輸入電壓，需連接到輸入電源，附近需放置高頻陶瓷去耦電容。
• BST：自舉電源輸入，需在 BST 和 VX 之間連接 0.47μF 陶瓷電容。
• VX：開關(guān)節(jié)點，連接到功率電感的開關(guān)節(jié)點。
• GND：功率地，連接到輸出負載的返回路徑。

五、控制架構(gòu)與工作原理

5.1 控制架構(gòu)

MAX38802/MAX38803 采用 Maxim 專有的 Quick - PWM 脈沖寬度調(diào)制器，是一種偽固定頻率、恒定導通時間、電流模式穩(wěn)壓器，具有電壓前饋功能。這種架構(gòu)專門設(shè)計用于處理快速負載階躍，同時在寬輸入電壓范圍內(nèi)保持相對恒定的工作頻率和電感工作點，避免了傳統(tǒng)固定頻率電流模式 PWM 的負載瞬態(tài)計時問題和傳統(tǒng)恒定導通時間脈沖頻率調(diào)制控制方案中開關(guān)頻率變化過大的問題。

5.2 控制算法

高側(cè)開關(guān)導通時間由一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器決定，其脈沖寬度與輸入電壓成反比，與輸出電壓成正比。另一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設(shè)置最小關(guān)斷時間為 100ns（典型值）。在正常工作條件下，當反饋電壓和谷值電流感測信號之和低于控制電壓，且最小關(guān)斷時間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器超時后，導通時間單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被觸發(fā)，tON 脈沖寬度最大限制為 2.5μs。

5.3 電壓調(diào)節(jié)器啟用與啟動順序

當 OE 引腳上升到 VOE(H) 閾值以上時，控制電路等待 300μs 的 tEN 時間，讓偏置電路、模擬模塊和其他電路穩(wěn)定到合適狀態(tài)后開始調(diào)節(jié)。OE 引腳電壓額定值為 1.8V，對于高于 1.8V 的控制信號，需使用電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動 OE 引腳。當 VCC 低于 UVLO 時，OE 引腳阻抗降低，需使用電阻限制電流。當系統(tǒng)將 OE 拉低時，穩(wěn)壓器進入低功耗關(guān)斷模式，STAT 立即拉低，電感放電，功率 FET 進入高阻抗狀態(tài)。

5.4 軟啟動控制

當 OE 達到閾值且 tEN 時間過去后，穩(wěn)壓器進行自舉電容充電序列。自舉電容充滿電后，內(nèi)部參考電壓以適當?shù)能泦訒r間（tSS）斜坡上升到目標電壓。軟啟動時間和目標電壓均可編程。如果輸出電壓已預(yù)偏置，參考電壓需上升到 SENSE + 節(jié)點電壓以上才開始調(diào)節(jié)。在 tSS 結(jié)束時，如果 SENSE + 引腳電壓仍高于內(nèi)部參考，將強制連續(xù)導通模式（CCM）一段時間（tSETTLE）以將輸出放電到期望電壓，之后如果選擇了不連續(xù)導通模式（DCM），則允許進入 DCM 模式，OVP/UVP 電路也將激活。

5.5 遠程輸出電壓感測

通過使用 SENSE - 節(jié)點作為內(nèi)部電壓參考 VREF 的參考，實現(xiàn)遠程輸出電壓感測，可提高負載處的輸出電壓調(diào)節(jié)精度，減少負載與穩(wěn)壓器之間平面阻抗引起的電壓降誤差。

5.6 開關(guān)操作模式

支持 CCM 和 DCM 兩種模式，可通過編程選擇。如果啟用 DCM，在輕載時穩(wěn)壓器將無縫過渡到 DCM 模式以提高效率。當負載使得在約 33μs 內(nèi)未產(chǎn)生 tON 脈沖時，低側(cè) FET 導通，直到誤差比較器換向并發(fā)出 tON 脈沖。進入最小頻率模式后，IC 以 60kHz 的最小開關(guān)頻率運行，以提供適當?shù)臏夭⒎乐?IC 在該模式內(nèi)外頻繁切換。

六、保護與狀態(tài)特性

6.1 輸出電壓保護（OVP）

持續(xù)監(jiān)測 SENSE + 引腳的欠壓和過壓情況。如果輸出電壓低于 PWRGD 閾值（編程輸出電壓的 9%）超過 30μs（典型值），STAT 引腳拉低，穩(wěn)壓器繼續(xù)嘗試維持調(diào)節(jié)；如果輸出電壓高于過壓保護閾值（編程輸出電壓的 13%）超過 30μs（典型值），STAT 引腳拉低，穩(wěn)壓器鎖存關(guān)閉（高側(cè)和低側(cè) FET 關(guān)閉），需切換 OE 或循環(huán) VCC 電源來清除故障。

6.2 電流限制

通過選擇合適的 R_SEL 值可對電流限制進行編程。過流保護（OCP）逐周期監(jiān)測和限制低側(cè) FET 電流。當?shù)蛡?cè)開關(guān)電流的最小瞬時“谷值”超過 OCP（源）水平時，IC 延遲下一個導通時間脈沖，直到電流降至閾值以下。在正電流限制事件中，輸出電壓下降，若達到 PWRGD 閾值，STAT 引腳拉低。此外，還有負 OCP 限制，當達到該閾值時，IC 發(fā)出導通時間脈沖限制負電流，但可能導致過壓保護事件。

6.3 UVLO 和 OVLO 保護

穩(wěn)壓器通過欠壓鎖定（UVLO）和過壓鎖定（OVLO）電路監(jiān)測 VDDH、BST 和 VCC 電源。當任何電源電壓低于 UVLO 閾值或 VDDH 高于 OVLO 閾值時，穩(wěn)壓器停止開關(guān)，STAT 引腳拉低。

6.4 過溫保護（OTP）

如果芯片溫度在運行過程中超過過溫閾值，穩(wěn)壓器停止調(diào)節(jié)，STAT 引腳拉低。當芯片溫度降至新的過溫閾值（過溫閾值 - 滯回）以下時，調(diào)節(jié)重新開始，當輸出電壓達到預(yù)期值時，STAT 引腳最終再次變高。

6.5 穩(wěn)壓器狀態(tài)

STAT 信號提供開漏輸出（最大 4V），用于指示穩(wěn)壓器是否正常工作，需要外部上拉電阻。啟動斜坡完成（tSTAT）后，如果輸出電壓在 PWRGD/OVP 調(diào)節(jié)窗口內(nèi)，STAT 引腳變?yōu)楦咦杩?。當出現(xiàn) OE 為低、VDDH 或 VCC 不在規(guī)定范圍內(nèi)、PWRGD 故障、SENSE - 或 SENSE + 引腳未連接、芯片溫度超過最大允許溫度、OVP 電路檢測到輸出電壓超出容差限制、自舉電源（BST - VX）檢測到 UVLO 等情況時，STAT 引腳拉低。

6.6 電流/溫度報告

在調(diào)節(jié)過程中，PGM 引腳產(chǎn)生模擬電壓，可表示平均輸出電流或芯片溫度。PGM 引腳輸出電壓范圍為 0.5V 至 1V，可驅(qū)動 R_SEL/C_SEL 網(wǎng)絡(luò)和額外的 20pF 外部負載，方便連接到外部電路，如電壓緩沖器或 ADC。通過特定的轉(zhuǎn)換方程可將 PGM 引腳電壓轉(zhuǎn)換為溫度或電流值。

七、編程選項

MAX38802/MAX38803 允許對多個關(guān)鍵參數(shù)進行編程，以優(yōu)化特定應(yīng)用?？删幊虆?shù)包括參考電壓（VREF）、軟啟動時間、OCP 啟動值、操作模式、報告參數(shù)、RSENSE 增益、開關(guān)頻率（fsw）和 tSTAT 時間延遲等。通過連接到編程引腳的電阻和電容選擇一組參數(shù)，不同的電阻和電容值對應(yīng)不同的參數(shù)設(shè)置，具體可參考表 3a 和 3b。C_SEL 用于選擇 fSW 設(shè)置，有六個選項可供選擇，實際的 fSW 值還與 VOUT 有關(guān)，可參考圖 4 選擇合適的 fSW 設(shè)置。

八、輸出電壓設(shè)置

輸出電壓通過選擇參考電壓并使用適當?shù)碾娮璺謮浩鱽碓O(shè)置。參考電壓可通過 R_SEL 選擇，可為內(nèi)部或外部參考。為提高直流輸出電壓精度，應(yīng)選擇合適的 VREF 值，如 0.6V 適用于 0.6V ≤ VOUT < 0.95V，0.95V 適用于 0.95V ≤ VOUT < 5.5V。為優(yōu)化誤差放大器的共模抑制，應(yīng)選擇使電阻分壓器并聯(lián)電阻盡可能接近 2kΩ 的電阻值。電阻選擇會影響輸出電壓精度，需考慮電阻公差和溫度系數(shù)的影響。此外，還可通過改變有效反饋分壓器比率實現(xiàn)電壓裕度調(diào)節(jié)，但需注意避免觸發(fā) OVP 或 UVP 故障。

九、控制環(huán)路

MAX38802/MAX38803 使用 Quick PWM 架構(gòu)，將電流感測信號添加到反饋中。在沒有額外補償?shù)那闆r下，電壓環(huán)路增益由 IC 的電流模式控制方案的有效跨導增益、輸出電容器的阻抗增益和反饋分壓器的衰減組成。為保證穩(wěn)定性，COUT 應(yīng)選擇使帶寬（BW）小于 fSW/3?？墒褂贸?、滯后和斜坡注入等補償方案來減小 COUT，但這些補償會影響系統(tǒng)的瞬態(tài)性能，需在設(shè)計分析中考慮。此外，IC 內(nèi)部的積分器可改善負載調(diào)節(jié)，不影響環(huán)路 BW。

十、元件選擇

10.1 電感選擇

電感值根據(jù)開關(guān)