MAX15023：寬輸入電壓范圍的雙輸出同步降壓控制器

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。MAX15023作為一款寬輸入電壓范圍的雙輸出同步降壓控制器，為工程師們提供了強(qiáng)大而靈活的電源解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款芯片。

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一、產(chǎn)品概述

MAX15023可在5.5V至28V或5V ±10%的輸入電壓范圍內(nèi)工作，能夠產(chǎn)生兩個獨(dú)立的輸出電壓。每個輸出電壓可在0.6V至輸入電壓的85%之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且能夠支持12A或更高的負(fù)載。通過180°異相交錯操作，有效降低了輸入電壓紋波和總RMS輸入紋波電流。

二、關(guān)鍵特性

2.1 輸入輸出特性

• 寬輸入電壓范圍：支持5.5V至28V或5V ±10%的輸入，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 可調(diào)輸出電壓：輸出電壓可在0.6V至輸入電壓的85%之間靈活調(diào)整，滿足不同負(fù)載的需求。

2.2 頻率調(diào)整與整流特性

• 可調(diào)開關(guān)頻率：通過外部電阻可將開關(guān)頻率從200kHz調(diào)整到1MHz，方便工程師根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。
• 自適應(yīng)同步整流：無需外部續(xù)流肖特基二極管，降低了成本和功耗。

2.3 保護(hù)特性

• 電流限制與熱關(guān)斷：具備逐周期、低側(cè)源峰值電流限制和熱關(guān)斷功能，有效保護(hù)芯片在過載和短路情況下的安全。
• 打嗝模式短路保護(hù)：在短路情況下，打嗝模式電流限制可降低功耗，提高系統(tǒng)的可靠性。

2.4 其他特性

• 獨(dú)立電源良好輸出和使能輸入：兩個獨(dú)立的電源良好輸出和使能輸入，可用于電源監(jiān)控和電源排序。
• 自適應(yīng)內(nèi)部數(shù)字軟啟動：允許預(yù)偏置啟動而無需對輸出放電，實(shí)現(xiàn)對大輸出電容的平滑充電。

三、工作原理

3.1 DC - DC PWM控制

MAX15023采用PWM電壓模式控制方案，每個通道的控制環(huán)路補(bǔ)償為外部補(bǔ)償，提供了在選擇工作頻率和輸出LC濾波組件時(shí)的最大靈活性。內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器在COMP_端產(chǎn)生積分誤差電壓，有助于提高直流精度。

3.2 交錯異相操作

兩個獨(dú)立的調(diào)節(jié)器以180°異相方式工作，減少了輸入濾波要求，降低了電磁干擾（EMI），提高了效率，同時(shí)降低了組件成本和節(jié)省了電路板空間。

3.3 內(nèi)部5.2V線性調(diào)節(jié)器

當(dāng)可用電源電壓超過5.5V時(shí)，內(nèi)部5.2V低壓差線性調(diào)節(jié)器為內(nèi)部功能和MOSFET驅(qū)動器供電。如果有外部5V ±10%的電源電壓，IN和VCC可以連接到5V電源。

3.4 MOSFET柵極驅(qū)動器

DH_和DL_驅(qū)動器針對驅(qū)動大型n溝道功率MOSFET進(jìn)行了優(yōu)化，自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間電路可防止交叉導(dǎo)通或直通，確保了高效穩(wěn)定的工作。

3.5 高側(cè)柵極驅(qū)動電源和內(nèi)部升壓開關(guān)

通過內(nèi)部開關(guān)在BST_和DH之間閉合，為高側(cè)MOSFET提供必要的柵源電壓，升壓電容在高側(cè)MOSFET導(dǎo)通期間維持柵極驅(qū)動器兩端的電壓。

3.6 使能輸入、自適應(yīng)軟啟動和軟停止

通過控制每個相位的使能輸入（EN1和EN2），可以獨(dú)立地打開和關(guān)閉兩個輸出。軟啟動序列通過逐步增加誤差放大器的參考電壓來實(shí)現(xiàn)，軟停止序列則通過逐步降低參考電壓來實(shí)現(xiàn)。

3.7 電源良好輸出

兩個電源良好比較器用于監(jiān)測調(diào)節(jié)器的輸出電壓，當(dāng)輸出電壓超過標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的92.5%時(shí)，PGOOD_輸出變?yōu)楦唠娖?；?dāng)輸出電壓下降到標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的89.5%以下時(shí)，PGOOD_輸出變?yōu)榈碗娖健?/p>

3.8 啟動到預(yù)偏置輸出

當(dāng)控制器啟動到預(yù)偏置輸出時(shí)，DH_/DL_互補(bǔ)開關(guān)序列被抑制，直到PWM比較器發(fā)出第一個PWM脈沖。

3.9 電流限制電路

采用逐周期低側(cè)源峰值和吸收電流傳感算法，使用低側(cè)MOSFET的導(dǎo)通電阻作為電流傳感元件，無需昂貴的傳感電阻，并且電流限制可通過外部電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.10 打嗝模式過流保護(hù)

在長時(shí)間短路或深度過載情況下，打嗝模式過流保護(hù)可降低功耗。當(dāng)逐周期低側(cè)源峰值電流限制條件持續(xù)存在時(shí)，控制器停止DL和DH_驅(qū)動器，并等待7936個開關(guān)周期后再啟動新的軟啟動序列。

3.11 欠壓鎖定

內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）電路監(jiān)測VCC電壓，當(dāng)VCC電壓低于3.8V（典型值）時(shí)，防止MAX15023工作，具有430mV的滯后以防止電源電壓上升/下降時(shí)的抖動。

3.12 熱過載保護(hù)

當(dāng)芯片的結(jié)溫超過150°C時(shí)，片上熱傳感器會關(guān)閉芯片，當(dāng)結(jié)溫冷卻20°C后，熱傳感器會再次開啟芯片。

四、設(shè)計(jì)步驟

4.1 有效輸入電壓范圍

最小電壓轉(zhuǎn)換比可能受最小可控導(dǎo)通時(shí)間的限制，最大電壓轉(zhuǎn)換比受最大占空比的限制。為避免脈沖跳過，可降低開關(guān)頻率或輸入電壓。

4.2 設(shè)置使能輸入

每個控制器的使能輸入?yún)⒖?a href="http://www.brongaenegriffin.com/analog/" target="_blank">模擬電壓（1.2V），可通過電阻分壓器電路設(shè)置特定的開啟閾值。

4.3 設(shè)置輸出電壓

通過連接從輸出到FB_再到SGND的電阻分壓器來設(shè)置每個通道的輸出電壓。

4.4 設(shè)置開關(guān)頻率

開關(guān)頻率通過連接從RT到SGND的電阻進(jìn)行設(shè)置，頻率與電阻的關(guān)系為(R{T}=frac{24806}{(f{SW})^{1.0663}})。

4.5 電感選擇

需要指定電感的電感值、飽和電流和直流電阻三個關(guān)鍵參數(shù)。電感值可根據(jù)開關(guān)頻率、輸入電壓、輸出電壓和所選的電感峰 - 峰交流電流與直流平均電流之比（LIR）來確定。

4.6 設(shè)置逐周期低側(cè)源峰值電流限制

電流限制閾值必須足夠高，以支持最大預(yù)期負(fù)載電流?？赏ㄟ^連接從LIM_到SGND的電阻來調(diào)整電流限制閾值。

4.7 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，降低輸入電壓紋波。應(yīng)選擇在RMS輸入電流下溫度上升小于+10°C的輸入電容。

4.8 輸出電容選擇

輸出電容的關(guān)鍵選擇參數(shù)包括電容值、ESR和電壓額定值，這些參數(shù)會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、輸出紋波電壓和瞬態(tài)響應(yīng)。

4.9 補(bǔ)償

每個通道提供內(nèi)部跨導(dǎo)放大器，可進(jìn)行外部頻率補(bǔ)償。根據(jù)輸出電容的類型選擇合適的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。

4.10 MOSFET選擇

MAX15023驅(qū)動兩個外部邏輯電平n溝道MOSFET，選擇時(shí)需考慮導(dǎo)通電阻、最大漏源電壓、最小閾值電壓、總柵極電荷、反向傳輸電容和功耗等參數(shù)。

4.11 功率耗散

器件的最大功耗取決于芯片到環(huán)境的熱阻和環(huán)境溫度。可通過計(jì)算功耗和熱阻來估計(jì)芯片的溫度上升。

4.12 升壓飛電容選擇

根據(jù)高側(cè)MOSFET的總柵極電荷和允許的電壓變化來選擇升壓飛電容的大小。

五、應(yīng)用信息

5.1 PCB布局指南

• 建立小的模擬接地平面或使用專用內(nèi)部平面，連接到SGND，并用于IN旁路電容、補(bǔ)償組件、反饋分壓器、RT電阻和LIM_電阻的接地連接。
• 將所有功率組件放置在電路板的頂層，僅在頂層使用走線或銅填充來運(yùn)行功率級電流，避免添加過孔。
• 在頂層布局大的PGND銅區(qū)域，連接高頻輸入電容、輸出電容和低側(cè)MOSFET的源極。
• 將SGND平面與頂層銅PGND區(qū)域進(jìn)行星型連接，在源極感應(yīng)附近使用少量過孔。
• 保持功率走線和負(fù)載連接短，特別是在接地端子處。
• 將控制器IC放置在同步整流MOSFET附近，保持LX、PGND、DH_和DL_的連接短而寬。
• 路由高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離敏感模擬區(qū)域，將所有SGND參考和反饋組件靠近IC放置。

5.2 典型應(yīng)用電路

文檔中提供了三種典型應(yīng)用電路，分別適用于單電源軌、5V ±10%電源和輔助5V電源與3.3V總線的情況。

六、總結(jié)

MAX15023以其寬輸入電壓范圍、靈活的輸出調(diào)節(jié)、豐富的保護(hù)特性和良好的性能，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)方面提供了一個優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需要根據(jù)具體的需求和設(shè)計(jì)要求，合理選擇外部組件，并遵循PCB布局指南，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用MAX15023或類似電源管理芯片時(shí)，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。