深度解析MAX17502：60V、1A高效同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理芯片是至關(guān)重要的組成部分。今天，我們就來深入探討一款高性能的同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器——MAX17502。它具備諸多出色特性，能滿足多種應(yīng)用場景的需求。

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一、產(chǎn)品概述

MAX17502是一款高效、高壓的同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，集成了MOSFET，可在4.5V至60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作。它有固定3.3V、5V輸出電壓版本，也支持0.9V至92%VIN的可調(diào)輸出電壓，最大能提供1A的電流，并且在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內(nèi)，輸出電壓精度可達 ± 1.7%。該芯片采用緊湊的TDFN和TSSOP封裝，還提供仿真模型。

二、關(guān)鍵特性與優(yōu)勢

2.1 消除外部組件并降低總成本

• 高效同步運行：采用無肖特基同步操作，提高效率并降低成本。
• 內(nèi)部補償和反饋分壓器：針對3.3V和5V固定輸出，集成了內(nèi)部補償和反饋分壓器，簡化設(shè)計。
• 全陶瓷電容與超緊湊布局：可使用全陶瓷電容，實現(xiàn)超緊湊的布局。

2.2 減少DC - DC調(diào)節(jié)器庫存

• 寬輸入電壓范圍：4.5V至60V的寬輸入電壓范圍，適應(yīng)性強。
• 可調(diào)輸出電壓：0.9V至92%VIN的可調(diào)輸出電壓，滿足不同需求。
• 大電流輸出：能夠提供高達1A的電流。
• 多開關(guān)頻率選項：有600kHz和300kHz的開關(guān)頻率可供選擇。
• 多種封裝形式：提供10引腳、3mm x 2mm TDFN和14引腳、5mm x 4.4mm TSSOP封裝。

2.3 降低功耗

• 高轉(zhuǎn)換效率：峰值效率 > 90%。
• 低關(guān)機電流：關(guān)機電流典型值為0.9μA。

2.4 惡劣工業(yè)環(huán)境下可靠運行

• 多種保護機制：具備打嗝模式電流限制、灌電流限制和自動重試啟動功能。
• 輸出電壓監(jiān)控：內(nèi)置輸出電壓監(jiān)控（開漏RESET引腳）。
• 可編程閾值：電阻可編程的EN/UVLO閾值。
• 可調(diào)軟啟動和預(yù)偏置上電：支持可調(diào)軟啟動和預(yù)偏置上電。
• 寬溫度范圍：工業(yè)級 - 40°C至 + 125°C的環(huán)境工作溫度范圍， - 40°C至 + 150°C的結(jié)溫范圍。

三、電氣特性

3.1 輸入電源

• 輸入電壓范圍：4.5V至60V。
• 輸入電源電流：在不同工作模式下有不同的電流值，如關(guān)機模式下典型值為0.9μA，正常開關(guān)模式無負載時，不同版本的電流值有所差異。

3.2 使能/欠壓鎖定（EN/UVLO）

• EN閾值：上升和下降閾值不同，如上升閾值典型值為1.218V，下降閾值典型值為1.135V。
• EN輸入泄漏電流：在特定條件下，典型值為8nA。

3.3 LDO

• Vcc輸出電壓范圍：在不同輸入電壓和負載電流條件下，輸出電壓范圍為4.65V至5.35V。
• Vcc電流限制：典型值為40mA。
• Vcc壓降：在特定條件下，典型值為4.1V。
• Vcc欠壓鎖定：上升和下降閾值不同。

3.4 功率MOSFET

• 高側(cè)pMOS導(dǎo)通電阻：在不同溫度和負載電流下有不同的值，如在 + 25°C、ILX = 0.5A時，典型值為0.85Ω。
• 低側(cè)nMOS導(dǎo)通電阻：同理，不同條件下有不同值。
• LX泄漏電流：在特定條件下，典型值為1μA。

3.5 軟啟動（SS）

• 充電電流：在VSS = 0.5V時，典型值為5μA。

3.6 反饋（FB/VO）

• FB調(diào)節(jié)電壓：不同版本有不同的調(diào)節(jié)電壓，如MAX17501G/H典型值為0.9V。
• FB輸入偏置電流：不同版本和條件下有不同值。

3.7 輸出電壓（VOUT）

• 輸出電壓范圍：不同版本有不同的輸出電壓，如MAX17502E為3.3V，MAX17502F為5V等。

3.8 跨導(dǎo)放大器（COMP）

• 跨導(dǎo)：典型值為590μS。
• COMP源電流和灌電流：典型值均為32μA。
• 電流感測跨阻：典型值為0.5V/A。

3.9 電流限制

• 峰值電流限制閾值：典型值為1.65A。
• 失控電流限制閾值：典型值為1.7A。
• 灌電流限制閾值：不同版本典型值為0.65A。

3.10 時序

• 開關(guān)頻率：不同版本有不同的開關(guān)頻率，如MAX17502E/F/G典型值為600kHz，MAX17502H典型值為300kHz。
• 打嗝事件相關(guān)：穿越失控電流限制后進入打嗝模式的事件數(shù)為1次，打嗝超時為32,768個周期。
• 最小導(dǎo)通時間：典型值為120ns。
• 最大占空比：不同版本有不同值。
• LX死區(qū)時間：典型值為5ns。

3.11 RESET

• RESET輸出電平低：在IRESET = 1mA時，典型值為0.02V。
• RESET輸出泄漏電流高：在特定條件下，典型值為0.45μA。
• VOUT閾值：RESET下降和上升的VOUT閾值不同。
• RESET延遲：FB達到95%調(diào)節(jié)后，延遲1024個周期。

3.12 熱關(guān)斷

• 熱關(guān)斷閾值溫度：上升時為165°C。
• 熱關(guān)斷遲滯：為10°C。

四、典型工作特性

通過一系列圖表展示了MAX17502在不同條件下的工作特性，如負載和線性調(diào)節(jié)、效率與負載電流關(guān)系、關(guān)機電流與溫度關(guān)系等。這些特性曲線能幫助工程師更好地了解芯片在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)。

五、引腳配置與功能

5.1 引腳配置

MAX17502有TDFN和TSSOP兩種封裝形式，不同封裝的引腳排列有所不同。主要引腳包括PGND（功率地）、VIN（電源輸入）、EN/UVLO（使能/欠壓鎖定輸入）、Vcc（5V LDO輸出）、FB/VO（反饋輸入）、SS（軟啟動輸入）、RESET（開漏RESET輸出）、GND（模擬地）、LX（開關(guān)節(jié)點）等。

5.2 引腳功能

• PGND：連接到外部電源地平面，與GND在Vcc旁路電容的接地返回路徑處相連。
• VIN：輸入電源范圍為4.5V至60V。
• EN/UVLO：驅(qū)動高電平可使能輸出電壓，可通過連接電阻分壓器設(shè)置設(shè)備開啟的輸入電壓閾值。
• Vcc：需用1μF陶瓷電容旁路到GND。
• FB/VO：固定輸出電壓設(shè)備直接連接到輸出，可調(diào)輸出電壓設(shè)備連接到輸出與地之間的電阻分壓器中心節(jié)點。
• SS：通過連接電容到地設(shè)置軟啟動時間。
• N.C./COMP：對于可調(diào)輸出電壓版本，連接到RC網(wǎng)絡(luò)進行外部環(huán)路補償；固定輸出電壓版本此引腳不連接。
• RESET：開漏輸出，當(dāng)FB低于設(shè)定值的92.5%時驅(qū)動低電平，高于95.5%后1024個時鐘周期變?yōu)楦唠娖健?/li>
• GND：模擬地。
• LX：連接到電感的開關(guān)側(cè)，關(guān)機模式下為高阻抗。

六、詳細工作原理

6.1 控制方案

采用峰值電流模式控制方案，內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器生成積分誤差電壓，通過PWM比較器、高側(cè)電流感測放大器和斜率補償發(fā)生器設(shè)置占空比。在時鐘上升沿，高側(cè)p通道MOSFET導(dǎo)通，直到達到合適或最大占空比，或檢測到峰值電流限制。

6.2 開關(guān)周期

高側(cè)MOSFET導(dǎo)通時，電感電流上升；高側(cè)MOSFET關(guān)斷，低側(cè)n通道MOSFET導(dǎo)通，直到下一個時鐘上升沿或檢測到灌電流限制。電感釋放存儲的能量，電流下降，為輸出提供電流。

6.3 集成功能

集成了使能/欠壓鎖定（EN/UVLO）、可調(diào)軟啟動時間（SS）和開漏復(fù)位輸出（RESET）功能。

6.4 線性調(diào)節(jié)器（VCC）

內(nèi)部線性調(diào)節(jié)器（VCC）提供5V標(biāo)稱電源，為內(nèi)部模塊和低側(cè)MOSFET驅(qū)動器供電。輸出需用1μF陶瓷電容旁路到地，當(dāng)VCC低于3.7V（典型值）時，欠壓鎖定電路會禁用內(nèi)部線性調(diào)節(jié)器。

6.5 工作輸入電壓范圍

最大工作輸入電壓由最小可控導(dǎo)通時間決定，最小工作輸入電壓由最大占空比和電路電壓降決定。計算公式為： [V{I N(M I N)}=frac{V{OUT }+left(I{OUT(MAX) timesleft(R{D C R}+0.47right)right)}{D{MAX }}}{D{MAX }}] [V{I N(M A X)}=frac{V{OUT }}{f{S W(M A X)} × t{O N(M I N)}}] 不同版本的MAX17502對應(yīng)的fSW(MAX)和DMAX值不同。

6.6 過流保護/打嗝模式

具備強大的過流保護方案，逐周期峰值電流限制在高側(cè)開關(guān)電流超過1.65A（典型值）時關(guān)閉高側(cè)MOSFET。高側(cè)開關(guān)電流的失控電流限制為1.7A（典型值），觸發(fā)一次失控電流限制會進入打嗝模式。此外，軟啟動完成后輸出電壓降至標(biāo)稱值的71.14%（典型值）也會觸發(fā)打嗝模式。在打嗝模式下，轉(zhuǎn)換器暫停開關(guān)32,768個時鐘周期，超時后再次嘗試軟啟動。

6.7 RESET輸出

包含RESET比較器監(jiān)控輸出電壓，開漏RESET輸出需要外部上拉電阻。RESET低電平時可吸收2mA電流，調(diào)節(jié)器輸出高于指定標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的95.5%后1024個開關(guān)周期變?yōu)楦唠娖?，低?2.5%或熱關(guān)斷時變?yōu)榈碗娖?，且在設(shè)備使能且VIN高于4.5V時有效。

6.8 預(yù)偏置輸出

設(shè)備啟動到預(yù)偏置輸出時，高側(cè)和低側(cè)開關(guān)均關(guān)閉，直到PWM比較器發(fā)出第一個PWM脈沖，先以高側(cè)開關(guān)開始切換，輸出電壓隨后平滑上升到目標(biāo)值。

6.9 熱過載保護

熱過載保護限制設(shè)備的總功耗。當(dāng)結(jié)溫超過 + 165°C時，片上熱傳感器關(guān)閉設(shè)備，結(jié)溫下降10°C后再次開啟，熱關(guān)斷時軟啟動復(fù)位。

七、應(yīng)用信息

7.1 輸入電容選擇

降壓轉(zhuǎn)換器的不連續(xù)輸入電流波形會在輸入電容中產(chǎn)生大的紋波電流。開關(guān)頻率、峰值電感電流和允許的峰 - 峰電壓紋波決定了電容需求。建議在工業(yè)應(yīng)用中使用X7R電容，輸入電容最小值為2.2μF，更高的值有助于進一步降低輸入直流總線的紋波。在源與設(shè)備輸入距離較遠的應(yīng)用中，應(yīng)在2.2μF陶瓷電容上并聯(lián)一個電解電容。

7.2 電感選擇

需要指定電感值（L）、電感飽和電流（ISAT）和直流電阻（RDCR）三個關(guān)鍵參數(shù)。電感值由開關(guān)頻率和輸出電壓決定： [L = 2.4 times frac{V{OUT}}{f{SW}}] 選擇接近計算值、尺寸合適且直流電阻盡可能低的低損耗電感，電感的飽和電流額定值必須高于峰值電流限制值（典型值為1.65A）。

7.3 輸出電容選擇

在工業(yè)應(yīng)用中，由于X7R陶瓷輸出電容在溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，是首選。輸出電容通常應(yīng)能支持應(yīng)用中最大輸出電流50%的階躍負載，使輸出電壓偏差控制在輸出電壓變化的 ± 3%以內(nèi)。固定3.3V輸出電壓版本，輸出需連接至少22μF（1210）電容；固定5V輸出電壓版本，輸出需連接至少10μF（1210）電容；可調(diào)輸出電壓版本，輸出電容可按以下公式計算： [C=frac{I{STEP} times t{RESPONSE}}{2 times Delta V{OUT}} approx frac{0.33}{f{C}}+frac{1}{f_{SW}}] 選擇fC為fSW的1/12，同時要考慮直流偏置和老化效應(yīng)。

7.4 軟啟動電容選擇

MAX17502實現(xiàn)了可調(diào)軟啟動操作以減少浪涌電流。從SS引腳連接到地的電容可設(shè)置軟啟動周期，最小所需軟啟動電容由所選輸出電容（CSEL）和輸出電壓（VOUT）決定： [C{SS}=6 times 10^{-6} times C{SEL} times V{OUT}] 軟啟動時間（tSS）與連接在SS的電容（CSS）的關(guān)系為： [t{SS}=frac{C_{SS}}{5.55 times 10^{-6}}]

7.5 調(diào)整輸出電壓

MAX17502E和MAX17502F分別具有預(yù)設(shè)的3.3V和5.0V輸出電壓，將FB/VO直接連接到輸出電容的正端。MAX17502G/H提供0.9V至92%VIN的可調(diào)輸出電壓，通過連接輸出電容正端（VOUT）到地的電阻分壓器設(shè)置輸出電壓，選擇R4和R5的值可優(yōu)化效率和輸出精度： [R 4=frac{Rp times V{OUT }}{0.9}] [R 5=frac{R 4 times 0.9}{left(V_{OUT }-0.9right)}] 其中，MAX17502G選擇R4和R5的并聯(lián)組合Rp小于15kΩ，MAX17502H選擇Rp小于30kΩ。

7.6 設(shè)置輸入欠壓鎖定電平

通過連接從VIN到地的電阻分壓器設(shè)置設(shè)備開啟的電壓，將分壓器中心節(jié)點連接到EN/UVLO。選擇R1為3.3MΩ，R2的計算公式為： [R 2=frac{R 1 times 1.218}{left(V_{INU }-1.218right)}] 對于可調(diào)輸出電壓設(shè)備，確保VINU高于0.8 x VOUT。

7.7 可調(diào)輸出版本的外部環(huán)路補償

MAX17502采用峰值電流模式控制方案，可調(diào)輸出電壓版本只需一個簡單的RC網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)穩(wěn)定、高帶寬的控制環(huán)路。功率調(diào)制器的直流增益為： [G{M O D(d c)}=frac{2}{frac{1}{R{L O A D}}+frac{0.4}{V{I N}}+left(frac{0.5-D}{f{S W} times L{S E L}}right)}] 其中，(R{LOAD}=V{OUT} / I{OUT(MAX)}) ，fSW是開關(guān)頻率，LSEL是所選輸出電感，D是占空比，(D=V{OUT} / V{IN})。 補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)計算如下： [R{Z}=6000 times f{C} times C{SEL} times V{OUT }] [C{Z}=frac{C{SEL} times G{MOD(dc)}}{2 times R{Z}}] [C{P}=frac{1}{pi times R{Z} times f_{S W}}] 選擇fC為開關(guān)頻率的1/12。

八、功率耗散與PCB布局

8.1 功率耗散

特定工作條件下，導(dǎo)致設(shè)備溫度升高的功率損耗估計為： [P{LOSS }=left(P{OUT } timesleft(frac{1}{eta}-1right)right)-left(I{OUT }^{2} times R{D C R}right)] [P{OUT }=V{OUT } times I_{OUT }] 其中，Pout是輸出功率，η是設(shè)備效率，RDCR是輸出電感的直流電阻。不同封裝的熱性能指標(biāo)不同，可通過以下公式估算結(jié)溫：