探索 MAXM17537：高效 DC - DC 降壓 SiP 電源模塊的設(shè)計(jì)秘籍

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高效、緊湊且可靠的電源模塊一直是工程師們追求的目標(biāo)。今天，我們要深入探討的是 Maxim Integrated 推出的 MAXM17537，一款 4.5V 至 60V、3A 高效 DC - DC 降壓 SiP 電源模塊，它集成了電感器，為電源設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多便利和優(yōu)勢(shì)。

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一、產(chǎn)品概述

MAXM17537 屬于 Himalaya 系列電壓調(diào)節(jié)器 IC 和電源模塊，該系列旨在實(shí)現(xiàn)更涼爽、更小且更簡(jiǎn)單的電源解決方案。這款模塊將開關(guān)電源控制器、雙 n 溝道 MOSFET 功率開關(guān)、全屏蔽電感器以及補(bǔ)償組件集成在一個(gè)低剖面、熱效率高的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）中。它能在 4.5V 至 60V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，在 8V 至 24V 的輸出電壓范圍內(nèi)提供高達(dá) 3A 的連續(xù)輸出電流，并且具有出色的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)能力。高度集成顯著降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度和制造風(fēng)險(xiǎn)，提供了真正的即插即用電源解決方案，縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。

二、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢(shì)

（一）降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度、制造風(fēng)險(xiǎn)和上市時(shí)間

• 集成度高：集成了同步降壓 DC - DC 轉(zhuǎn)換器、電感器、FET 和補(bǔ)償組件，減少了外部元件數(shù)量，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程。
• 節(jié)省空間：采用 9mm x 15mm x 4.32mm 的小尺寸 SiP 封裝，在空間受限的應(yīng)用中節(jié)省了電路板空間，同時(shí)簡(jiǎn)化了 PCB 設(shè)計(jì)。

（二）電源設(shè)計(jì)優(yōu)化的靈活性

• 寬輸入電壓范圍：4.5V 至 60V 的輸入電壓范圍，適用于多種電源場(chǎng)景。
• 可調(diào)輸出電壓：輸出電壓可在 8V 至 24V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，滿足不同負(fù)載的需求。
• 可調(diào)頻率：通過(guò)外部頻率同步，開關(guān)頻率可在 100kHz 至 2.2MHz 之間調(diào)節(jié)，還支持 PWM、PFM 或 DCM 電流模式控制，以及可編程軟啟動(dòng)功能。此外，輔助自舉 LDO 提高了效率，還有可選的可編程 EN/UVLO 功能。

（三）惡劣工業(yè)環(huán)境下的可靠運(yùn)行

• 熱保護(hù)：集成了熱保護(hù)功能，當(dāng)結(jié)溫超過(guò) 165°C（典型值）時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，待溫度下降 10°C 后重新開啟，軟啟動(dòng)在熱關(guān)斷時(shí)會(huì)重置。
• 過(guò)載保護(hù)：具備打嗝模式過(guò)載保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)載或輸出短路情況時(shí)，模塊會(huì)進(jìn)入打嗝模式，暫停開關(guān)操作 32,768 個(gè)開關(guān)周期，之后再次嘗試軟啟動(dòng)，確保在輸出過(guò)載或短路條件下的低功耗。
• RESET 輸出電壓監(jiān)控：通過(guò) RESET 引腳監(jiān)控輸出電壓，當(dāng)輸出電壓低于 92.5% 的標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓時(shí)，RESET 輸出低電平；當(dāng)輸出電壓高于 95.5% 的標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓時(shí)，RESET 輸出高電平。

三、電氣特性

（一）輸入電源

• 輸入電壓范圍：4.5V 至 60V。
• 輸入關(guān)斷電流：在關(guān)斷模式下，典型值為 11μA，最大值為 16μA。
• 輸入靜態(tài)電流：在不同模式下有不同的值，如 PFM 模式下典型值為 128μA，DCM 模式下典型值為 2mA，PWM 模式下無(wú)負(fù)載且輸出電壓為 5V 時(shí)典型值為 14.5mA。

（二）使能/欠壓鎖定（EN/UVLO）

• 閾值：EN/UVLO 上升閾值典型值為 1.215V，下降閾值典型值為 1.09V。
• 上拉電阻：IN 和 EN/UVLO 引腳之間的上拉電阻典型值為 3.32MΩ。

（三）低壓差（LDO）

• Vcc 輸出電壓范圍：在 6V < VIN < 60 且 IVcc = 1mA 時(shí)，典型值為 5V，范圍為 4.75V 至 5.25V；在 1mA < IVcc < 45mA 時(shí)，同樣如此。
• Vcc 電流限制：典型值為 90mA，范圍為 50mA 至 150mA。
• IN 到 Vcc 的壓差：在 VIN = 4.5V 且 IVcc = 45mA 時(shí)，最大值為 0.4V。

（四）軟啟動(dòng)（SS）

充電電流在 Vss = 0.5V 時(shí)，典型值為 5μA，范圍為 4.7μA 至 5.3μA。

（五）輸出規(guī)格

• 線路調(diào)節(jié)精度：在 VIN = 15V 至 60V 且 VOUT = 12V 時(shí)，典型值為 0.1mV/V。
• 負(fù)載調(diào)節(jié)精度：在 VOUT = 12V 且負(fù)載電流從 0 到 3A 測(cè)試時(shí)，典型值為 6mV/A。
• FB 調(diào)節(jié)電壓：根據(jù) MODE/SYNC 引腳的不同狀態(tài)有不同的值，如 MODE/SYNC = SGND 或 MODE = Vcc 時(shí)，典型值為 0.9V；MODE/SYNC = OPEN 時(shí)，典型值為 0.915V。

四、工作模式

（一）PWM 模式

在 PWM 模式下，電感電流允許為負(fù)，能在所有負(fù)載下提供恒定頻率操作，適用于對(duì)開關(guān)頻率變化敏感的應(yīng)用。但在輕負(fù)載時(shí)，與 PFM 和 DCM 模式相比，效率較低。

（二）PFM 模式

PFM 模式禁用負(fù)電感電流，在輕負(fù)載時(shí)跳過(guò)脈沖以提高效率。當(dāng)輸出電壓達(dá)到標(biāo)稱電壓的 102.3% 時(shí)，高低側(cè) FET 關(guān)閉，進(jìn)入休眠模式；當(dāng)輸出電壓降至標(biāo)稱電壓的 101.1% 時(shí)，設(shè)備退出休眠模式，重新開始工作。該模式在輕負(fù)載時(shí)效率高，但輸出電壓紋波比 PWM 或 DCM 模式高，且輕負(fù)載時(shí)開關(guān)頻率不恒定。

（三）DCM 模式

DCM 模式在輕負(fù)載時(shí)不跳過(guò)脈沖，僅禁用負(fù)電感電流，能實(shí)現(xiàn)比 PFM 模式更低負(fù)載下的恒定頻率操作，效率介于 PWM 和 PFM 模式之間。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）設(shè)置開關(guān)頻率

通過(guò)將電阻從 RT 引腳連接到 SGND 可將開關(guān)頻率編程為 100kHz 至 2.2MHz，開關(guān)頻率（fSW）與 RT 引腳連接的電阻（RRT）的關(guān)系為 (R{R T} cong frac{19 × 10^{3}}{f{S W}}-1.7) ，若 RT 引腳未連接，則設(shè)備以默認(rèn)的 450kHz 開關(guān)頻率運(yùn)行。

（二）確定工作輸入電壓范圍

根據(jù)輸出電壓、最大負(fù)載電流、最大開關(guān)頻率和最小開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間等參數(shù)計(jì)算最小和最大工作輸入電壓，具體公式如下： [V{I N(M I N)}=frac{V{OUT }+I{OUT(M A X)} × 0.091}{1-f{SW(M A X)} timesleft(230 × 10^{-9}right)}+left(I{OUT(MAX) } × 0.034right)] [V{I N(M A X)}=frac{V{OUT }}{f{S W(M A X)} × t{O N(M I N)}}] 當(dāng)占空比 > 0.5 時(shí)： [V{IN(MIN) }=left(3.47 × V{OUT }right)-left(5.36 × 10^{-5} × f{SW}right)+0.936]

（三）外部頻率同步

MAXM17537 的內(nèi)部振蕩器可通過(guò) MODE/SYNC 引腳與外部時(shí)鐘信號(hào)同步，外部同步時(shí)鐘頻率必須在 (1.1 x fsw) 和 (1.4 x fsw) 之間，當(dāng)檢測(cè)到 16 個(gè)外部時(shí)鐘邊緣后，內(nèi)部振蕩器頻率將變?yōu)橥獠繒r(shí)鐘頻率，同步操作期間轉(zhuǎn)換器工作在 PWM 模式。

（四）DL - 到 - OUT 短路檢測(cè)

為防止 DL 引腳與 OUT 引腳短路損壞低側(cè) FET，該模塊實(shí)現(xiàn)了 DL - 到 - OUT 短路檢測(cè)功能。若在啟動(dòng)前檢測(cè)到短路，啟動(dòng)序列將不會(huì)啟動(dòng)，輸出電壓也不會(huì)軟啟動(dòng)。

（五）過(guò)流保護(hù)（OCP）/打嗝模式

模塊具備強(qiáng)大的過(guò)流保護(hù)方案，當(dāng)高側(cè)開關(guān)電流超過(guò) 5.7A（典型值）時(shí)，高側(cè) MOSFET 關(guān)閉。若達(dá)到 6.7A（典型值）的失控電流限制，或軟啟動(dòng)完成后 FB 節(jié)點(diǎn)低于其標(biāo)稱調(diào)節(jié)閾值的 64.5%，模塊將進(jìn)入打嗝模式，暫停開關(guān)操作 32,768 個(gè)開關(guān)周期，之后再次嘗試軟啟動(dòng)。

（六）RESET 輸出

MAXM17537 包含一個(gè)比較器來(lái)監(jiān)控輸出電壓，RESET 輸出為開漏輸出，需要外部上拉電阻。當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出電壓高于設(shè)計(jì)標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的 95.5% 時(shí)，RESET 輸出高電平；當(dāng)輸出電壓降至標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的 92.5% 以下時(shí)，RESET 輸出低電平，熱關(guān)斷時(shí) RESET 也輸出低電平。

（七）預(yù)偏置輸出

當(dāng)模塊啟動(dòng)到預(yù)偏置輸出時(shí)，高低側(cè)開關(guān)關(guān)閉，直到 PWM 比較器發(fā)出第一個(gè) PWM 脈沖，開關(guān)才開始切換，輸出電壓隨后平穩(wěn)上升到目標(biāo)值。

（八）熱關(guān)斷保護(hù)

熱關(guān)斷保護(hù)限制了模塊的總功耗，當(dāng)結(jié)溫超過(guò) 165°C（典型值）時(shí)，片上熱傳感器關(guān)閉設(shè)備，溫度下降 10°C 后重新開啟，軟啟動(dòng)在熱關(guān)斷時(shí)重置。

六、組件選擇

（一）輸入電容

輸入濾波電容可減少?gòu)碾娫醇橙〉姆逯惦娏?，降低電路開關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。輸入電容的 RMS 電流要求為 (I{RMS} = I{OUT(MAX) } × frac{sqrt{V{OUT } timesleft(V{IN }-V{OUT }right)}}{V{IN }}) ，建議選擇在 RMS 輸入電流下溫度上升小于 10°C 的低 ESR 陶瓷電容，如 X7R 電容。

（二）輸出電容

在工業(yè)應(yīng)用中，X7R 陶瓷輸出電容因其溫度穩(wěn)定性而被優(yōu)先選擇。輸出電容的大小通常根據(jù)應(yīng)用中最大輸出電流的 50% 階躍負(fù)載來(lái)確定，以確保輸出電壓偏差控制在輸出電壓變化的 3% 以內(nèi)，最小所需輸出電容可通過(guò)以下公式計(jì)算： [t{RESPONSE } congleft(frac{0.33}{f{C}}+frac{1}{f{SW}}right)] [C{OUT }=frac{1}{2} × frac{I{STEP } × t{RESPONSE }}{Delta V_{OUT }}]

（三）軟啟動(dòng)電容

通過(guò)將電容從 SS 引腳連接到 SGND 可編程軟啟動(dòng)時(shí)間，最小所需軟啟動(dòng)電容與所選輸出電容（CSEL）和輸出電壓（VOUT）的關(guān)系為 (C{SS} geq 28 × 10^{-6} × C{SEL} × V{OUT }) ，軟啟動(dòng)時(shí)間（tSS）與 SS 引腳連接的電容（CSS）的關(guān)系為 (t{s s}=frac{C_{s s}}{5.55}) 。

（四）設(shè)置輸入欠壓鎖定電平

通過(guò)計(jì)算 (R{E N}=frac{3.32 × 1.215}{left(V{INU }-1.215right)}) 來(lái)設(shè)置 MAXM17537 開啟的電壓，確保 VINU 高于 0.8 x VOUT。

（五）調(diào)整輸出電壓

通過(guò)連接從輸出電容正端（VOUT）到 SGND 的電阻分壓器來(lái)設(shè)置輸出電壓，將分壓器的中心節(jié)點(diǎn)連接到 FB 引腳。首先計(jì)算從輸出到 FB 的電阻 (R{U}=frac{451 × 10^{3}}{f{C} × C{OUT}}) ，然后計(jì)算從 FB 到 SGND 的電阻 (R{B}=frac{R{U} × 0.9}{left(V{OUT }-0.9right)}) ，同時(shí)兩個(gè)反饋電阻需滿足 (6000{U} × R{B}}{R{U}+R{B}}<50,000) 。

七、PCB 布局指南

（一）減少電感和 EMI

所有承載脈沖電流的連接必須盡可能短且寬，以降低連接的電感，減小電流環(huán)路面積，從而減少輻射 EMI。

（二）輸入電容放置

將陶瓷輸入濾波電容靠近模塊的 IN 引腳放置，以消除盡可能多的走線電感影響，為模塊提供更干凈的電壓源。

（三）熱性能優(yōu)化

為了有效散熱，在模塊暴露焊盤下方提供多個(gè)熱過(guò)孔，連接到大面積接地平面。

八、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了 15V 和 24V 輸出的典型應(yīng)用電路示例，包括輸入電容、輸出電容、電阻等組件的具體參數(shù)，為工程師的實(shí)際設(shè)計(jì)提供了參考。

綜上所述，MAXM17537 以其高集成度、寬輸入電壓范圍、靈活的工作模式和豐富的保護(hù)功能，為電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體需求合理選擇組件和工作模式，同時(shí)注意 PCB 布局，以充分發(fā)揮該模塊的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用 MAXM17537 或其他類似電源模塊時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。