高效升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器MAX17112的深度解析

引言

在電子設(shè)備的電源管理領(lǐng)域，高效、穩(wěn)定的DC - DC轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。MAX17112作為一款高性能的升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，為有源矩陣薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器（LCD）提供了穩(wěn)定的電源電壓。下面我們將深入了解這款轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)、工作原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX17112采用電流模式、固定頻率（1MHz）的脈沖寬度調(diào)制（PWM）電路，內(nèi)置n溝道功率MOSFET，實(shí)現(xiàn)了高效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)。其輸入過壓保護(hù)（OVP）功能可防止高達(dá)24V的輸入浪涌電壓對芯片造成損壞。高開關(guān)頻率（1MHz）允許使用超小型電感器和低ESR陶瓷電容器，電流模式架構(gòu)對脈沖負(fù)載具有快速瞬態(tài)響應(yīng)能力。補(bǔ)償引腳（COMP）讓用戶能夠靈活調(diào)整環(huán)路動態(tài)，內(nèi)部MOSFET可在2.6V至5.5V的輸入電壓下產(chǎn)生高達(dá)20V的輸出電壓。軟啟動功能可通過外部電容編程，緩慢提升輸入電流。該芯片采用10引腳TDFN封裝。

二、應(yīng)用場景

主要應(yīng)用于筆記本電腦顯示器和LCD監(jiān)視器面板等領(lǐng)域，為這些設(shè)備的顯示部分提供穩(wěn)定的電源支持。

三、產(chǎn)品特性

1. 輸入過壓保護(hù)：有效防止輸入浪涌電壓對芯片的損壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。
2. 可調(diào)輸出電壓：輸出電壓可在VIN至20V之間調(diào)節(jié)，滿足不同應(yīng)用的需求。
3. 寬輸入電源范圍：輸入電源范圍為2.6V至5.5V，具有較好的適應(yīng)性。
4. 輸入電源欠壓鎖定：確保輸入電壓足夠高時(shí)芯片才能可靠工作，避免因電壓不足導(dǎo)致的異常。
5. 固定開關(guān)頻率：1MHz的固定開關(guān)頻率，便于電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
6. 可編程軟啟動：通過外部電容實(shí)現(xiàn)軟啟動功能，減少啟動時(shí)的電流沖擊。
7. 小型封裝：采用10引腳TDFN封裝，節(jié)省電路板空間。
8. 熱過載保護(hù)：當(dāng)芯片溫度過高時(shí)，自動采取保護(hù)措施，防止芯片損壞。

四、電氣特性

（一）輸入輸出特性

1. 輸入電源范圍：在VOUT < 18V時(shí)，輸入范圍為2.6V至5.5V；在18V < VOUT < 20V時(shí)，輸入范圍為4.0V至5.5V。
2. 輸出電壓范圍：最大可達(dá)20V。
3. OVP閾值：輸入電壓上升時(shí)，OVP閾值為6.2V至7V。
4. VL欠壓鎖定閾值：典型滯回為50mV，當(dāng)VL低于該閾值時(shí)，LX保持關(guān)閉。

（二）其他特性

1. 誤差放大器：反饋電壓產(chǎn)生VCOMP = 1.24V時(shí)，反饋電壓范圍為1.227V至1.253V；FB輸入偏置電流在VFB = 1.24V時(shí)為225nA；跨導(dǎo)為110至450μS。
2. 振蕩器：頻率范圍為750至1250kHz，最大占空比為89%至96%。
3. n溝道MOSFET：電流限制在VFB = 1V、75%占空比、VL = 5V時(shí)為3.9A至5.3A；導(dǎo)通電阻在VL = 5V和VL = 3V時(shí)分別有不同取值；電流感測跨阻在VL = 5V時(shí)為0.09至0.25V/A。
4. 軟啟動：復(fù)位開關(guān)電阻為25Ω，充電電流在VSS = 1.2V時(shí)為1.5至5.5μA。
5. 控制輸入：SHDN閾值上升時(shí)為1.19至1.29V，SHDN充電電流為4.25至5.75μA。

五、典型工作特性

（一）效率與負(fù)載電流關(guān)系

在不同的輸入電壓和輸出電壓條件下，效率隨負(fù)載電流的變化而變化。例如，在VIN = 3.3V、VOUT = 9V和VIN = 5V、VOUT = 15V的情況下，都有相應(yīng)的效率曲線。

（二）負(fù)載調(diào)節(jié)特性

輸出電壓為15V時(shí)，負(fù)載調(diào)節(jié)特性展示了負(fù)載電流變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性。

（三）開關(guān)頻率與輸入電壓關(guān)系

在負(fù)載電阻為30Ω時(shí)，開關(guān)頻率隨輸入電壓的變化情況。

（四）軟啟動與電源電流關(guān)系

軟啟動過程中，電源電流隨電源電壓的變化。

（五）負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

當(dāng)負(fù)載電流在50mA至550mA以及100mA至1.1A之間變化時(shí)，輸出電壓的響應(yīng)情況。

六、引腳說明

七、詳細(xì)工作原理

（一）整體架構(gòu)

MAX17112采用電流模式、固定頻率的PWM架構(gòu)，誤差放大器將FB引腳的信號與1.24V進(jìn)行比較，改變COMP輸出電壓，該電壓決定每次內(nèi)部MOSFET開啟時(shí)的電流跳閘點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，誤差放大器向COMP輸出端提供或吸收電流，以控制電感峰值電流來滿足負(fù)載需求。在高占空比時(shí)，通過斜率補(bǔ)償信號與電流感測信號相加來維持穩(wěn)定性，輕載時(shí)可跳過周期以防止輸出電容過充。

（二）輸出電流能力

輸出電流能力取決于電流限制、輸入電壓、工作頻率和電感值。電流限制與占空比有關(guān)，計(jì)算公式為[LIM =(1.26 - 0.35 × D) × LIM_EC]，其中ILIMEC是75%占空比時(shí)指定的電流限制，D是占空比。輸出電流能力由電流限制值決定，計(jì)算公式為[OUT (MAX) =left[LIM-frac{0.5 × D × V{IN }}{f{OSC } × L}right] × frac{V{IN }}{V_{OUT }} × eta]。

（三）軟啟動

通過外部電容可對MAX17112進(jìn)行軟啟動編程。當(dāng)關(guān)斷引腳SHDN為高電平時(shí)，軟啟動電容（CSS）立即充電至0.4V，然后以4μA（典型值）的恒定電流充電。在此期間，SS電壓直接控制電感峰值電流周期，當(dāng)(V_{S S}=1.5 ~V)時(shí)達(dá)到滿電流限制，軟啟動完成后可提供最大負(fù)載電流。當(dāng)SHDN為低電平時(shí)，SS放電至地。

（四）過壓保護(hù)（OVP）

為防止輸入浪涌電壓損壞芯片，MAX17112集成了OVP電路。IN和VL之間的內(nèi)部開關(guān)在IN電壓小于6.6V（典型值）時(shí)導(dǎo)通，超過6.6V時(shí)斷開，從而保護(hù)IC免受過高電壓的影響。

（五）欠壓鎖定（UVLO）

欠壓鎖定電路將(V{L})電壓與UVLO（典型值2.45V）進(jìn)行比較，確保輸入電壓足夠高以實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。50mV（典型值）的滯回特性可防止電源瞬變導(dǎo)致重啟。當(dāng)(V{L})電壓超過UVLO上升閾值時(shí)開始啟動，輸入電壓低于UVLO下降閾值時(shí)，主升壓調(diào)節(jié)器關(guān)閉。

（六）啟動方式

1. 通過外部電容啟動：當(dāng)SHDN連接外部電容時(shí)，內(nèi)部5μA電流源對電容充電，當(dāng)SHDN電壓超過1.24V時(shí)，IC啟動。啟動延遲時(shí)間可通過公式[t{Delay }=frac{1.24 V}{5 mu A} × C{overline{SHDN}} approx 0.25 × C_{overline{SHDN}}]估算。
2. 直接施加邏輯高信號啟動：直接向SHDN施加邏輯高信號時(shí)，需在邏輯信號和SHDN之間插入一個串聯(lián)電阻（典型值10kΩ）進(jìn)行保護(hù)，以限制啟動瞬間從邏輯信號電源流入SHDN引腳的電流。

八、元件選擇

（一）電感選擇

電感值由最大輸出電流、輸入電壓、輸出電壓和開關(guān)頻率決定。電感值過高可減小電流紋波，但會增加物理尺寸和I2R損耗；電感值過低會增加電流紋波和峰值電流。一般來說，升壓調(diào)節(jié)器的電感峰 - 峰紋波電流與滿載時(shí)平均直流電感電流的比值LIR在0.3至0.5之間較為合適，但具體還需根據(jù)電感磁芯材料的交流特性和電感電阻與其他功率路徑電阻的比值進(jìn)行調(diào)整。計(jì)算公式為[L=left(frac{V{I N}}{V{OUT }}right)^{2}left(frac{V{MAIN }-V{IN }}{MAIN(EFF) × f{OSC }}right)left(frac{eta{TYP }}{LIR}right)]。選擇合適的電感后，還需計(jì)算最大直流輸入電流、紋波電流和峰值電流，并確保電感的飽和電流額定值和MAX17112的LX電流限制超過峰值電流，電感的直流電流額定值超過最大直流輸入電流。為保證效率，應(yīng)選擇串聯(lián)電阻小于0.1Ω的電感。

（二）輸出電容選擇

輸出電壓紋波由電容紋波和歐姆紋波組成，計(jì)算公式分別為[V{RIPPLE(C)} approx frac{I{MAIN }}{C{OUT }}left(frac{V{MAIN }-V{IN }}{V{MAIN } f{OSC }}right)]和[V{RIPPLE(ESR) } approx P{PEAK } R{ESR(COUT) }]，總紋波為兩者之和。對于陶瓷電容，輸出電壓紋波通常由VRIPPLE(C)主導(dǎo)。同時(shí)，還需考慮輸出電容的電壓額定值和溫度特性。

（三）輸入電容選擇

輸入電容（CIN）可降低從輸入電源汲取的電流峰值，減少對IC的噪聲注入。在典型工作電路中使用兩個4.7μF陶瓷電容，但實(shí)際應(yīng)用中由于升壓調(diào)節(jié)器通常直接從另一個穩(wěn)壓電源的輸出端獲取電源，源阻抗較低，CIN可適當(dāng)減小?？赏ㄟ^使用足夠的CIN確保IN端的低噪聲電源，也可使用RC低通濾波器將IN與CIN解耦。

（四）整流二極管選擇

由于MAX17112的高開關(guān)頻率，需要高速整流二極管。肖特基二極管因其快速恢復(fù)時(shí)間和低正向電壓而被推薦用于大多數(shù)應(yīng)用。二極管的額定值應(yīng)能承受輸出電壓和峰值開關(guān)電流，其峰值電流額定值至少應(yīng)等于電感選擇部分計(jì)算的IPEAK，擊穿電壓應(yīng)超過輸出電壓。

（五）輸出電壓選擇

MAX17112的輸出電壓可在VIN至20V之間調(diào)節(jié)，通過連接從輸出（VMAIN）到GND的電阻分壓器，中心抽頭連接到FB來實(shí)現(xiàn)。選擇R3在10kΩ至50kΩ范圍內(nèi)，通過公式[R 4=R 3 timesleft(frac{V{MAIN }}{V{FB}}-1right)]計(jì)算R4，其中VFB為升壓調(diào)節(jié)器的反饋設(shè)定點(diǎn)，典型值為1.24V。R3和R4應(yīng)盡量靠近IC放置。

（六）環(huán)路補(bǔ)償

選擇RCOMP來設(shè)置高頻積分器增益以實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，選擇CCOMP來設(shè)置積分器零點(diǎn)以維持環(huán)路穩(wěn)定性。對于低ESR輸出電容，可使用公式[C{COMP} approx frac{V{OUT } × C{OUT }}{10 × I{OUT } × R{COMP }}]和[R{COMP} approx frac{253 × V{IN} × V{OUT } × C{OUT }}{L × I{OUT }}]來獲得穩(wěn)定性能和良好的瞬態(tài)響應(yīng)。為進(jìn)一步優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)，可在觀察瞬態(tài)響應(yīng)波形的同時(shí)，以20%的步長調(diào)整RCOMP，以50%的步長調(diào)整CCOMP。

（七）軟啟動電容

軟啟動電容應(yīng)足夠大，以確保在輸出達(dá)到穩(wěn)定之前不會達(dá)到最終值。計(jì)算公式為[C{S S}>21 × 10^{-6} × C{OUT } timesleft[frac{V{OUT }^{2}-V{IN } × V{OUT }}{V{IN } × I{INRUSH }-I{OUT } × V{OUT }}right]]，負(fù)載需等待軟啟動周期結(jié)束后才能開始吸取大量負(fù)載電流，軟啟動持續(xù)時(shí)間為[t{MAX}=2.4 × 10^{5} × C_{SS}]。

九、PCB布局和接地

良好的PCB布局對于MAX17112的正常工作至關(guān)重要，以下是一些布局準(zhǔn)則：

1. 減小高電流環(huán)路面積：將電感器、輸出二極管和輸出電容靠近輸入電容以及LX和GND引腳放置，高電流輸入和輸出環(huán)路的組件應(yīng)使用短而寬的連接，避免在高電流路徑中使用過孔，若不可避免，應(yīng)使用多個過孔并聯(lián)以降低電阻和電感。
2. 創(chuàng)建接地島：創(chuàng)建由輸入和輸出電容接地以及GND引腳組成的功率接地島（PGND），用短而寬的走線或小接地平面將它們連接起來，以提高效率并減少輸出電壓紋波和噪聲尖峰。同時(shí)創(chuàng)建由反饋分壓器接地連接、COMP和SS電容接地連接以及器件外露背面焊盤組成的模擬接地平面（AGND），將AGND和PGND通過GND引腳直接連接到外露背面焊盤，且兩個接地平面之間不應(yīng)有其他連接。
3. 反饋電阻布局：將反饋電壓分壓器電阻盡量靠近反饋引腳放置，分壓器的中心走線應(yīng)盡量短，避免反饋?zhàn)呔€靠近LX或電荷泵中的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。
4. 旁路電容布局：將IN和VL引腳的旁路電容盡量靠近器件放置，IN和VL旁路電容的接地連接應(yīng)通過寬走線直接連接到AGND。
5. 輸出電容與負(fù)載連接：盡量減小輸出電容與負(fù)載之間走線的長度，增大走線寬度，以獲得最佳的瞬態(tài)響應(yīng)。
6. LX節(jié)點(diǎn)布局：減小LX節(jié)點(diǎn)的尺寸，保持其寬而短，使其遠(yuǎn)離反饋節(jié)點(diǎn)和模擬接地，必要時(shí)可使用直流走線作為屏蔽。

十、總結(jié)

MAX17112是一款性能出色的升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，具有高效率、快速瞬態(tài)響應(yīng)、多種保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)應(yīng)用電路時(shí)，需要根據(jù)具體需求合理選擇元件，并注意PCB布局和接地，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用MAX17112的過程中是否也遇到過一些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。