深入解析MAX15048/MAX15049：高性能三輸出降壓控制器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天，我們將深入探討Maxim Integrated推出的MAX15048/MAX15049三輸出降壓控制器，它在高性能、小尺寸電源管理解決方案方面表現(xiàn)出色。

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一、產(chǎn)品概述

MAX15048/MAX15049是具有跟蹤（MAX15048）和排序（MAX15049）選項(xiàng)的三輸出脈寬調(diào)制（PWM）降壓DC - DC控制器。它們能在4.7V至23V或5V ±10%的輸入電壓范圍內(nèi)工作，每個(gè)PWM控制器可提供低至0.6V的可調(diào)輸出，并能提供高達(dá)15A的負(fù)載電流，具備出色的負(fù)載和線性調(diào)節(jié)能力。其中，MAX15049還能啟動(dòng)預(yù)偏置輸出，這在并行電源模塊的應(yīng)用中能確保輸出電壓無(wú)干擾地上電。

二、關(guān)鍵特性

2.1 輸入電壓范圍與輸出調(diào)節(jié)

輸入電壓范圍為4.7V至23V或5V ±10%，每個(gè)輸出電壓可調(diào)節(jié)至低至0.6V，能滿足多種不同的電源需求。

2.2 跟蹤與排序功能

MAX15048提供重合跟蹤或比例跟蹤，MAX15049提供輸出排序功能，可根據(jù)系統(tǒng)要求定制上電/下電序列。

2.3 頻率與效率優(yōu)化

工作在200kHz至1.2MHz的可編程固定開(kāi)關(guān)頻率，每個(gè)轉(zhuǎn)換器以120°異相運(yùn)行，將輸入電容紋波頻率提高至3.6MHz，顯著降低RMS輸入紋波電流和輸入旁路電容的尺寸。

2.4 保護(hù)特性

具備無(wú)損谷值模式電流限制、打嗝模式輸出短路保護(hù)和熱關(guān)斷等保護(hù)功能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.5 集成設(shè)計(jì)

集成了升壓二極管，節(jié)省了系統(tǒng)成本。

三、電氣特性

3.1 系統(tǒng)規(guī)格

輸入電壓范圍為4.7V至23V，輸入欠壓鎖定閾值為4.0V至4.4V，具有0.3V的滯后。工作電源電流在VIN = 12V、VFB = 0.8V時(shí)為6至9mA，關(guān)斷電源電流在VIN = 12V、EN = 0、PGOOD未連接時(shí)為100至200μA。

3.2 電壓調(diào)節(jié)器

輸出電壓設(shè)定點(diǎn)在VIN = 6V至23V時(shí)為4.75V至5.25V，負(fù)載調(diào)節(jié)在IREG = 0至60mA、VIN = 6V時(shí)為0.2V。

3.3 振蕩器

開(kāi)關(guān)頻率范圍為200kHz至1200kHz，開(kāi)關(guān)頻率精度在fSW = 500kHz時(shí)為±4%，相位延遲為120°。

3.4 驅(qū)動(dòng)器

DL_、DH_的先斷后合時(shí)間為35ns，DH和DL的導(dǎo)通電阻在不同負(fù)載條件下有相應(yīng)的數(shù)值。

3.5 電流限制與打嗝模式

谷值電流限制閾值為69mV，閾值溫度系數(shù)為3333ppm/°C，累積電流限制事件達(dá)到8次進(jìn)入打嗝模式，連續(xù)3個(gè)非電流限制周期清除計(jì)數(shù)，打嗝超時(shí)為4096個(gè)時(shí)鐘周期。

3.6 使能/PGOOD

EN_閾值為0.57V至0.63V，具有46mV的滯后；PGOOD閾值為0.545V至0.555V，具有30mV的滯后。

3.7 熱關(guān)斷

熱關(guān)斷溫度為+160°C，熱關(guān)斷滯后為20°C。

四、典型工作特性

通過(guò)一系列圖表展示了轉(zhuǎn)換器的效率與負(fù)載電流、輸出電壓與負(fù)載電流、開(kāi)關(guān)頻率與溫度等關(guān)系。例如，不同輸入電壓下，轉(zhuǎn)換器的效率隨負(fù)載電流的變化情況，能幫助工程師更好地了解器件在不同工況下的性能。

五、引腳配置與功能

MAX15048/MAX15049采用32引腳TQFN - EP封裝，每個(gè)引腳都有特定的功能。

5.1 RT引腳

用于連接振蕩器定時(shí)電阻，通過(guò)連接15.6kΩ至3.75kΩ的電阻到SGND，可將開(kāi)關(guān)頻率編程為200kHz至1.2MHz。

5.2 SGND引腳

模擬地，需與PGND_在輸入旁路電容返回端附近的一點(diǎn)連接。

5.3 PGND引腳

分別為三個(gè)控制器的電源地，連接輸入濾波電容的負(fù)極、同步MOSFET的源極和輸出濾波電容的返回端。

5.4 DL和DH引腳

分別為低側(cè)和高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出，驅(qū)動(dòng)外部n溝道MOSFET。

5.5 BST引腳

為高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器供電，需連接0.1μF的陶瓷電容到LX_。

5.6 EN引腳

用于使能和跟蹤輸入，在跟蹤（MAX15048）和排序（MAX15049）時(shí)具有不同的連接方式。

5.7 FB引腳

反饋調(diào)節(jié)點(diǎn)，連接到電阻分壓器的中心抽頭以設(shè)置輸出電壓。

5.8 COMP引腳

跨導(dǎo)誤差放大器輸出，連接到輸出的補(bǔ)償反饋網(wǎng)絡(luò)。

5.9 PGOOD引腳

控制器電源良好輸出，上拉到低于5.5V的正電壓，用于指示所有輸出是否在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

5.10 IN引腳

電源輸入連接，連接到4.7V至23V的外部電壓源。

5.11 REG引腳

5V穩(wěn)壓器輸出，需用2.2μF的陶瓷電容旁路到SGND。

5.12 EP引腳

外露焊盤，焊接到大型SGND平面以改善散熱。

六、詳細(xì)工作原理

6.1 內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）

VIN必須超過(guò)默認(rèn)的UVLO閾值才能開(kāi)始工作，UVLO電路在VIN低于閾值時(shí)關(guān)閉MOSFET驅(qū)動(dòng)器、振蕩器和所有內(nèi)部電路，以降低電流消耗。UVLO上升閾值為4.2V，具有300mV的滯后。

6.2 數(shù)字軟啟動(dòng)/軟停止/預(yù)偏置輸出

軟啟動(dòng)功能使負(fù)載電壓以受控方式上升，消除輸出電壓過(guò)沖。軟啟動(dòng)在VIN超過(guò)UVLO閾值且使能輸入高于0.6V后開(kāi)始，持續(xù)2048個(gè)時(shí)鐘周期，輸出電壓通過(guò)64個(gè)相等的步驟遞增。MAX15048的軟停止在使能輸入低于0.55V時(shí)開(kāi)始，輸出電壓通過(guò)64個(gè)相等的步驟在2048個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)遞減。MAX15049能啟動(dòng)預(yù)偏置負(fù)載，在軟啟動(dòng)期間，兩個(gè)開(kāi)關(guān)保持關(guān)閉，直到PWM比較器發(fā)出第一個(gè)PWM脈沖。

6.3 內(nèi)部線性穩(wěn)壓器（REG）

REG是由IN供電的5V LDO的輸出端，為IC提供電源。需將REG外部連接到DREG_為低側(cè)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器供電，并使用至少2.2μF的陶瓷電容旁路到SGND。REG僅用于為內(nèi)部電路供電，最大可提供60mA的電流。

6.4 MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)部升壓開(kāi)關(guān)

DREG_是低側(cè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器的電源輸入，可通過(guò)RC濾波器連接到REG或外部電源。BST_為高側(cè)MOSFET驅(qū)動(dòng)器供電，內(nèi)部開(kāi)關(guān)將DREG_和BST_之間的電壓提升，為高側(cè)MOSFET提供必要的柵源電壓。柵極驅(qū)動(dòng)器具有1A的峰值源極和吸收電流能力，提供先斷后合時(shí)間以防止過(guò)渡期間的直通電流。

6.5 MAX15048重合/比例跟蹤

通過(guò)使能輸入（EN）結(jié)合數(shù)字軟啟動(dòng)和軟停止實(shí)現(xiàn)重合/比例跟蹤。重合跟蹤時(shí)，將用于FB的電阻分壓器連接到輸出和EN；比例跟蹤時(shí)，將EN_連接到SGND。在輸出短路故障時(shí)，能確保主從輸出的合理響應(yīng)。

6.6 MAX15049輸出電壓排序

使能輸入必須高于0.6V，PWM控制器才能啟動(dòng)。VOUT_輸出和EN_輸入可通過(guò)菊花鏈連接實(shí)現(xiàn)電源排序，也可使用電阻分壓器設(shè)置每個(gè)控制器的啟動(dòng)時(shí)間。

6.7 誤差放大器

內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器的輸出（COMP_）用于頻率補(bǔ)償，誤差放大器具有80dB的開(kāi)環(huán)增益和10MHz的GBW乘積。

6.8 輸出短路保護(hù)（打嗝模式）

采用谷值電流限制算法，使用同步MOSFET的導(dǎo)通電阻作為電流傳感元件。當(dāng)電流限制閾值超過(guò)8個(gè)累積時(shí)鐘周期時(shí)，設(shè)備關(guān)閉4096個(gè)時(shí)鐘周期，然后軟啟動(dòng)。連續(xù)3個(gè)非電流限制周期清除計(jì)數(shù)。

6.9 熱過(guò)載保護(hù)

具備集成的熱過(guò)載保護(hù)和溫度滯后功能。當(dāng)芯片溫度超過(guò)+160°C時(shí)，內(nèi)部熱傳感器關(guān)閉設(shè)備，溫度下降20°C后軟啟動(dòng)。

七、設(shè)計(jì)步驟

7.1 設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率

通過(guò)連接15.625kΩ至93.75kΩ的電阻到RT引腳，可將開(kāi)關(guān)頻率編程為200kHz至1.2MHz，計(jì)算公式為fSW (kHz)=12.8 × RRT(kΩ)。

7.2 有效輸入電壓范圍

最大輸入電壓受最小導(dǎo)通時(shí)間限制，最小輸入電壓受最大占空比限制，計(jì)算公式分別為VIN(MAX) ≤ VOUT / (tON(MIN) × fSW)和VIN(MIN)= VOUT / (1 - (tOFF(MIN) × fSW))。

7.3 電感選擇

需考慮電感值（L）、電感飽和電流（ISAT）和電感串聯(lián)電阻（DCR）。電感值計(jì)算公式為L(zhǎng) = VOUT (VIN - VOUT) / (VIN × fSW × ΔIP - P)，一般選擇ΔIP - P等于滿載電流的30%。ISAT應(yīng)高于最大峰值電流，選擇低DCR的電感以提高效率。

7.4 輸入電容選擇

輸入電容需能承受輸入紋波電流，并將輸入電壓紋波保持在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。120°紋波相位操作將輸入電容紋波電流頻率提高到單個(gè)轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率的三倍。計(jì)算公式為ESR = ΔVESR / (ILOAD(MAX) + ΔIP - P / 2)和CIN = ILOAD(MAX) × (VOUT / VIN) / (ΔVQ + fSW)。

7.5 輸出電容選擇

輸出電容的選擇取決于允許的輸出電壓紋波和負(fù)載階躍期間的最大輸出電壓偏差。計(jì)算公式為COUT = ΔIP - P / (8 × ΔVQ × fSW)和ESR = ΔVESR / ΔIP - P。在負(fù)載階躍時(shí)，還需考慮ESR、ESL和電容值，計(jì)算公式分別為ESR = ΔVESR / ISTEP、COUT = ISTEP × tRESPONSE / ΔVQ和ESL = ΔVESL × tSTEP / ISTEP。

7.6 設(shè)置電流限制

采用谷值電流傳感方法，谷值電流限制閾值為69mV。通過(guò)監(jiān)測(cè)低側(cè)MOSFET的導(dǎo)通電阻上的電壓降來(lái)感測(cè)電感電流，計(jì)算公式為VVALLEY = RDS(ON) × (ILOAD(MAX) - ΔIP - P / 2)。

7.7 功率MOSFET選擇

選擇n溝道MOSFET時(shí)，需考慮總柵極電荷、RDS(ON)、功率耗散、最大漏源電壓和封裝熱阻抗。選擇優(yōu)化用于高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用的MOSFET。

7.8 補(bǔ)償設(shè)計(jì)指南

采用固定頻率、電壓模式控制方案，通過(guò)誤差放大器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)輸出電容的ESR零頻率，可選擇Type II或Type III補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

八、典型工作電路

文檔提供了MAX15048重合跟蹤器、MAX15048比例跟蹤器、MAX15049排序器的典型工作電路，以及MAX15049評(píng)估套件的原理圖，為工程師的設(shè)計(jì)提供了參考。

九、應(yīng)用信息

9.1 功率耗散

32引腳TQFN熱增強(qiáng)封裝可耗散高達(dá)2758.6mW的功率，功率耗散計(jì)算公式為PD = VIN × IREG，其中IREG包括靜態(tài)電流和總柵極驅(qū)動(dòng)電流。最大功率耗散計(jì)算公式為PDMAX = 34.5 × (150 - TA) mW。

9.2 PCB布局指南

布局時(shí)需將IN、REG和DREG_旁路電容靠近MAX15048/MAX15049放置，最小化高電流環(huán)路的面積和長(zhǎng)度，保持SGND和PGND_隔離并在一點(diǎn)連接，避免長(zhǎng)走線，將輸出電容靠近負(fù)載放置，均勻分布功率組件，提供足夠的銅面積用于散熱，連接外露焊盤到大型銅平面，并使用2oz銅以降低走線電感和電阻。

MAX15048/MAX15049三輸出降壓控制器憑借其豐富的功能和出色的性能，為電子工程師在電源管理設(shè)計(jì)中提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的系統(tǒng)需求，合理選擇和配置這些參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的電源性能。你在使用這類控制器時(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。