MAX8741/MAX8742：高性能多輸出電源控制器的設計秘籍
MAX8741/MAX8742：高性能多輸出電源控制器的設計秘籍
在當今的電子設備設計中，高性能、高效能的電源管理至關重要，尤其是在電池供電的系統(tǒng)里。Maxim公司的MAX8741/MAX8742多輸出電源控制器，憑借其出色的性能和豐富的功能，成為了眾多電子工程師的首選。今天，我就帶大家深入了解這款控制器，分享它的設計要點和應用經(jīng)驗。
文件下載：MAX8742.pdf
一、產(chǎn)品概述
MAX8741/MAX8742是專為電池供電應用設計的雙路BiCMOS開關模式電源控制器，采用降壓拓撲結構。它們能夠提供高達97%的效率，在1000:1的負載電流范圍內(nèi)效率仍大于80%，有效延長了電池壽命。此外，這兩款控制器還具備多種功能，如電源上電排序、帶延遲的電源正常信號、數(shù)字軟啟動、次級繞組控制等。可應用于筆記本電腦、PDA、移動通訊設備以及臺式CPU本地DC - DC轉(zhuǎn)換器等。
二、MAX8741/MAX8742的關鍵特性
2.1 高效性能
通過同步整流和Maxim的專有Idle Mode?控制方案，可實現(xiàn)高達97%的效率。在1000:1的負載電流范圍內(nèi)效率大于80%，這在電池供電系統(tǒng)中大大延長了電池的使用時間。例如在系統(tǒng)處于待機模式時，依然能保持較高的效率，減少不必要的能量損耗。
2.2 寬輸入輸出范圍
輸入電壓范圍為4.2V至30V，可適應不同的電源輸入。輸出方面，有兩個PWM穩(wěn)壓器，輸出電壓可在2.5V至5.5V之間調(diào)節(jié)，還提供固定的5.0V和3.3V模式。MAX8742還集成了一個12V/120mA線性穩(wěn)壓器，能滿足更多不同的電壓需求。
2.3 低噪聲與同步性
具備邏輯控制、可同步的固定頻率脈寬調(diào)制（PWM）工作模式，能有效降低敏感移動通訊和筆輸入應用中的噪聲和RF干擾。通過設置SKIP引腳，可以開啟固定頻率模式，在各種負載條件下都能實現(xiàn)低噪聲運行。
2.4 保護功能
內(nèi)部集成了輸出過壓和欠壓保護功能，能有效保護電路和負載免受異常電壓的損害。當輸出電壓超過或低于設定的閾值時，控制器會及時采取措施，如關斷相應的輸出，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
- 過壓保護：當檢測到輸出電壓超過額定調(diào)節(jié)點的7%時，兩個SMPS輸出都會被鎖止，故障側(cè)的低端柵極驅(qū)動器會被鎖止為高電平，直到SHDN引腳被拉低且 (V{L}) 降至其2V（典型值）的POR電平以下才會重新啟動。為了確保上電時的過壓保護，可以從兩個輸出電壓連接信號二極管到 (V{L})（陰極連接 (V{L})），以消除 (V{L}) 上電延遲。
- 欠壓保護：每個SMPS都有欠壓保護電路，在SMPS啟用4096個時鐘周期后啟動。如果任一SMPS輸出低于額定值的70%，兩個SMPS都會被鎖止，DH_和DL_被驅(qū)動為低電平，直到SHDN或RUN/ON3引腳被觸發(fā)，或者V+電源循環(huán)至低于1V才會重啟。
2.5 電源排序與軟啟動
支持可編程的上電排序功能，通過SEQ引腳可以靈活選擇不同的上電順序。同時，內(nèi)部集成數(shù)字軟啟動電路，在啟動時逐步增加內(nèi)部電流限制水平，減少輸入浪涌電流。這對于一些對電源穩(wěn)定性要求較高的設備非常重要，避免了因啟動時的大電流沖擊對設備造成損害。
三、引腳功能詳解
3.1 CSH3/CSL3/CSH5/CSL5
這些引腳是電流檢測輸入引腳，分別用于3.3V和5V SMPS。其中CSL3和CSL5在固定輸出模式下還作為反饋輸入，同時CSL5在其電壓大于4.5V時還可作為自舉電源輸入。當CSH和CSL之間的電壓差超過100mV時，電流限制電路會重置主PWM鎖存器，關閉高端MOSFET開關，實現(xiàn)對電流的有效限制。
3.2 FB3/FB5
反饋輸入引腳，用于調(diào)節(jié)輸出電壓。在可調(diào)模式下，輸出電壓會調(diào)節(jié)到FB_ = REF（約2.5V）。通過將FB連接到外部電阻分壓器，可以方便地調(diào)整輸出電壓。計算公式為： (VOUT = VREF (1 + R1 / R2)) ，其中 (V{REF}=2.5V) （標稱值）。為了補償MAX8741/MAX8742約2%的典型負載調(diào)節(jié)誤差，標稱輸出應設置為比目標值高約1% - 2%。
3.3 SYNC
振蕩器同步和頻率選擇引腳。連接到 (V_{L}) 時可實現(xiàn)500kHz的工作頻率，連接到GND時則為333kHz。此外，該引腳還可以接受400kHz至583kHz的外部時鐘信號進行同步。在不同的應用場景中，可以根據(jù)實際需求選擇合適的頻率，例如在對效率要求較高時選擇333kHz，在追求小尺寸和低成本的情況下選擇500kHz。
3.4 SKIP
邏輯控制輸入引腳，高電平可禁用Idle Mode，使控制器始終工作在固定頻率PWM模式，以實現(xiàn)最低噪聲。在噪聲敏感的應用中，如Hi - Fi多媒體設備、手機、RF通信計算機等，將該引腳拉高可以有效減少開關噪聲帶來的干擾。但需要注意的是，SKIP引腳拉高時 (V_{L}) 電源電流通常為30mA，具體取決于外部MOSFET的柵極電容和開關損耗。在大多數(shù)情況下，為了最小化靜態(tài)電源電流，可將SKIP引腳連接到GND。
3.5 RESET
低電平有效、帶定時功能的復位輸出引腳。上電后，RESET引腳會被拉低，直到3.3V和5V SMPS輸出都達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后經(jīng)過32000個時鐘周期（在500kHz時為64ms，在333kHz時為96ms）后，RESET引腳會被拉高。如果SEQ引腳連接到REF，則僅監(jiān)測3.3V SMPS輸出，忽略5V SMPS輸出。
四、設計要點
4.1 電感選擇
電感值的選擇需要在尺寸、成本和效率之間進行權衡。較低的電感值可以減小尺寸和成本，但會因較高的峰值電流水平而降低效率；較高的電感值則意味著更高的效率，但過多的繞組匝數(shù)會導致電阻損耗增加，并且可能影響負載瞬態(tài)響應。在連續(xù)傳導模式下，電感值可根據(jù)以下公式計算： [L=frac{V{OUT }left(V{IN (MAX) }-V{OUT }right)}{V{IN (MAX) } × f × I_{OUT } × LIR }] 其中， (LIR) 是電感交流電流與直流負載電流的比值，通常取0.3，且應大于0.15。
4.2 電流檢測電阻
根據(jù)最壞情況下的低電流限制閾值電壓（80mV）和電感峰值電流來計算電流檢測電阻的值： [R{SENSE }=frac{80 mV}{I{PEAK }}] 然后根據(jù)最壞情況下的高電流限制閾值電壓（120mV）來確定MOSFET開關和電感飽和電流的額定值： [PEAK(MAX) =frac{120 mV}{R_{SENSE }}] 推薦使用低電感電阻，如表面貼裝金屬膜電阻。
4.3 輸入輸出電容
輸入電容的選擇主要根據(jù)輸入紋波電流要求和電壓額定值，通常使用陶瓷電容或Sanyo OS - CON電容來處理上電浪涌電流。輸出濾波電容的值主要由ESR和電壓額定值要求決定，為了確保穩(wěn)定性，電容需要滿足以下兩個公式：
[R{ESR}
4.4 MOSFET選擇
高電流n溝道MOSFET應選擇邏輯電平類型，確保在 (V{GS}=4.5V) 時有可靠的導通電阻規(guī)格，較低的柵極閾值更好。漏源擊穿電壓額定值應至少等于最大輸入電壓，最好有20%的降額系數(shù)。同時，MOSFET的導通電阻與柵極電荷的乘積越小越好，以減少開關損耗。例如，可以通過比較不同MOSFET的 (R{DS(ON)} × Q_{G}) 值來選擇合適的器件。在高電流應用中，還需要考慮MOSFET的封裝功率耗散，避免器件過熱。
4.5 PCB布局
良好的PCB布局對于實現(xiàn)指定的噪聲、效率和穩(wěn)定性性能至關重要。布局時需要遵循以下原則：
- 功率組件放置：優(yōu)先放置高功率組件（如C1、C3、C4、Q1、Q2、L1和R1），確保電流檢測電阻的走線長度最短，并采用Kelvin連接以保證準確的電流檢測。同時，盡量縮短高電流路徑中的接地走線長度和其他走線長度，使用寬度大于5mm的走線，如CIN到高端MOSFET漏極的走線長度最大為10mm，整流二極管陰極到低端MOSFET的走線長度最大為5mm，LX節(jié)點的走線長度最大為15mm。理想情況下，表面貼裝功率組件應相互靠近，其接地端子幾乎接觸，然后通過頂層填充的銅區(qū)域?qū)⑦@些高電流接地連接在一起，避免通過過孔連接，最終將頂層的“子接地平面”連接到內(nèi)層的正常接地平面的輸出接地端子上，確保IC的模擬接地能夠準確感知電源輸出端子的電壓，不受IR降和接地噪聲的干擾。
- IC和信號組件放置：將IC和信號組件遠離主開關節(jié)點（LX節(jié)點），避免敏感的模擬組件（如電流檢測走線和REF電容）受到干擾。IC和模擬組件應放置在電路板與功率開關節(jié)點相對的一側(cè)，并且IC與電流檢測電阻的距離不應超過10mm。同時，將柵極驅(qū)動走線（DH_、DL和BST）的長度控制在20mm以內(nèi)，并使其遠離CSH_、CSL_和REF。
- 單點星形接地：采用單點星形接地方式，將輸入接地走線、功率接地（子接地平面）和正常接地平面在電源的輸出接地端子處連接在一起。將IC的兩個接地引腳和所有IC旁路電容連接到正常接地平面。
五、應用電路示例
5.1 標準3.3V/5V應用電路
該電路（如圖1所示）是一個基本的雙輸出降壓轉(zhuǎn)換器電路，通過替換表1中的組件，可以輕松適應輸入電壓高達28V的各種應用。在實際應用中，需要根據(jù)具體的負載電流和頻率要求選擇合適的組件。例如，在4A/333kHz的應用中，高側(cè)MOSFET可以選擇1/2 Fairchild FDS6982S或1/2 International Rectifier IRF7901D1，輸入電容選擇3 x 10μF、25V的陶瓷電容（Taiyo Yuden TMK432BJ106KM）等。
5.2 三重輸出應用電路（MAX8742）
圖10展示了MAX8742的三重輸出應用電路，除了3.3V和5V輸出外，還可以通過12OUT引腳提供12V/120mA的線性穩(wěn)壓輸出。在設計該電路時，需要注意變壓器的設計和參數(shù)選擇，以確保各個輸出的穩(wěn)定性和準確性。同時，要根據(jù)負載情況合理調(diào)整電路中的電容、電感和電阻值，以滿足不同的功率需求。
5.3 雙6A筆記本電腦電源電路
圖11是一個適用于筆記本電腦的雙6A電源電路，能夠為筆記本電腦的不同組件提供穩(wěn)定的電源。在設計該電路時，要充分考慮筆記本電腦的功耗特點和電源要求，選擇合適的電感、電容和MOSFET等組件，確保電路在不同負載情況下都能保持高效穩(wěn)定的運行。同時，要注意PCB布局的合理性，減少電磁干擾，提高電源的可靠性。
六、低電壓操作與故障排除
6.1 低電壓操作注意事項
在低輸入電壓或低輸入輸出壓差的情況下，需要特別注意設計細節(jié)。低絕對輸入電壓可能導致 (V_{L}) 線性穩(wěn)壓器進入降壓模式并最終關閉，而低輸入輸出壓差可能導致多輸出反激應用中的負載調(diào)節(jié)性能變差，或者在負載電流突然變化時導致輸出電壓下降。為了避免這些問題，可以采取以下措施：
- 增加輸出電容值：當輸入輸出壓差較小時，增加輸出電容的值可以有效減少輸出電壓的下降幅度。例如，在一個333kHz/6A的應用電路中，當 (V{IN}=+5.5V) ， (V{out}=+5V) ， (L = 6.7mu H) ， (f = 333kHz) ， (I_{STEP}=3A) （半載階躍）時，總電容為470μF可以使電壓下降小于200mV。
- 降低工作頻率：在某些情況下，將工作頻率降低到333kHz可以提高最大占空比，從而改善低輸入輸出壓差時的性能。
- 優(yōu)化組件參數(shù)：選擇導通電阻更低的MOSFET和直流電阻更低的線圈，也有助于提高低電壓操作時的性能。
6.2 故障排除
| 當出現(xiàn)低電壓相關的故障時，可以參考以下故障排除表格： | SYMPTOM | CONDITION | ROOT CAUSE | SOLUTION |
|---|---|---|---|---|
| Sag or droop in V OUT under step - load change | Low V IN - V OUT differential, <1.5V | Limited inductor - current slew rate per cycle. | Increase bulk output capacitance per formula (see the Low - Voltage Operation section). Reduce inductor value. | |
| Dropout voltage is too high (V OUT follows V IN as V IN decreases) | Low V IN - V OUT differential, <1V | Maximum duty - cycle limits exceeded. | Reduce operation to 333kHz. Reduce MOSFET on - resistance and coil DCR. | |
| Unstable - jitters between different duty factors and frequencies | Low V IN - V OUT differential, <0.5V | Normal function of internal low - dropout circuitry. | Increase the minimum input voltage or ignore. | |
| Secondary output does not support a load | Low V IN - V OUT differential, V IN < 1.3 x V OUT(MAIN) | Not enough duty cycle left to initiate forward - mode operation. Small AC current in primary cannot store energy for flyback operation. | Reduce operation to 333kHz. Reduce secondary impedances; use a Schottky diode, if possible. Stack secondary winding on the main output. | |
| Poor efficiency | Low input voltage, <5V | V L linear regulator is going into dropout and is not providing good gate - drive levels. | Use a small 20mA Schottky diode for boost diode. Supply V L from an external source. | |
| Does not start under load or quits before battery is completely dead | Low input voltage, <4.5V | V L output is so low that it hits the V L UVLO threshold. | Supply V L from an external source other than V IN, such as the system 5V supply. |
七、總結
MAX8741/MAX8742多輸出電源控制器以其高效、多功能和靈活的特點，為電池供電系統(tǒng)的電源管理提供了優(yōu)秀的解決方案。在設計過程中，我們需要根據(jù)具體的應用需求，合理選擇組件、優(yōu)化PCB布局，并注意低電壓操作時的問題。通過深入理解其工作原理和設計要點，我們可以充分發(fā)揮這款控制器的性能，設計出更加穩(wěn)定、高效的電源電路。
希望這篇文章能對大家在使用MAX8741/MAX8742進行電源設計時有所幫助。如果你在設計過程中遇到任何問題，或者有其他相關的技術交流需求，歡迎在評論區(qū)留言討論。
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