MAX8741/MAX8742：高性能多輸出電源控制器的設(shè)計(jì)秘籍
MAX8741/MAX8742：高性能多輸出電源控制器的設(shè)計(jì)秘籍
在當(dāng)今的電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，高性能、高效能的電源管理至關(guān)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(shè)計(jì)要點(diǎn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
文件下載：MAX8742.pdf
一、產(chǎn)品概述
MAX8741/MAX8742是專為電池供電應(yīng)用設(shè)計(jì)的雙路BiCMOS開(kāi)關(guān)模式電源控制器，采用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它們能夠提供高達(dá)97%的效率，在1000:1的負(fù)載電流范圍內(nèi)效率仍大于80%，有效延長(zhǎng)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(hào)、數(shù)字軟啟動(dòng)、次級(jí)繞組控制等?？蓱?yīng)用于筆記本電腦、PDA、移動(dòng)通訊設(shè)備以及臺(tái)式CPU本地DC - DC轉(zhuǎn)換器等。
二、MAX8741/MAX8742的關(guān)鍵特性
2.1 高效性能
通過(guò)同步整流和Maxim的專有Idle Mode?控制方案，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)97%的效率。在1000:1的負(fù)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(zhǎng)了電池的使用時(shí)間。例如在系統(tǒng)處于待機(jī)模式時(shí)，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(yīng)不同的電源輸入。輸出方面，有兩個(gè)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(gè)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(dòng)通訊和筆輸入應(yīng)用中的噪聲和RF干擾。通過(guò)設(shè)置SKIP引腳，可以開(kāi)啟固定頻率模式，在各種負(fù)載條件下都能實(shí)現(xiàn)低噪聲運(yùn)行。
2.4 保護(hù)功能
內(nèi)部集成了輸出過(guò)壓和欠壓保護(hù)功能，能有效保護(hù)電路和負(fù)載免受異常電壓的損害。當(dāng)輸出電壓超過(guò)或低于設(shè)定的閾值時(shí)，控制器會(huì)及時(shí)采取措施，如關(guān)斷相應(yīng)的輸出，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
- 過(guò)壓保護(hù)：當(dāng)檢測(cè)到輸出電壓超過(guò)額定調(diào)節(jié)點(diǎn)的7%時(shí)，兩個(gè)SMPS輸出都會(huì)被鎖止，故障側(cè)的低端柵極驅(qū)動(dòng)器會(huì)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(huì)重新啟動(dòng)。為了確保上電時(shí)的過(guò)壓保護(hù)，可以從兩個(gè)輸出電壓連接信號(hào)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(hù)：每個(gè)SMPS都有欠壓保護(hù)電路，在SMPS啟用4096個(gè)時(shí)鐘周期后啟動(dòng)。如果任一SMPS輸出低于額定值的70%，兩個(gè)SMPS都會(huì)被鎖止，DH_和DL_被驅(qū)動(dòng)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(huì)重啟。
2.5 電源排序與軟啟動(dòng)
支持可編程的上電排序功能，通過(guò)SEQ引腳可以靈活選擇不同的上電順序。同時(shí)，內(nèi)部集成數(shù)字軟啟動(dòng)電路，在啟動(dòng)時(shí)逐步增加內(nèi)部電流限制水平，減少輸入浪涌電流。這對(duì)于一些對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高的設(shè)備非常重要，避免了因啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊對(duì)設(shè)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(cè)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(shí)CSL5在其電壓大于4.5V時(shí)還可作為自舉電源輸入。當(dāng)CSH和CSL之間的電壓差超過(guò)100mV時(shí)，電流限制電路會(huì)重置主PWM鎖存器，關(guān)閉高端MOSFET開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(huì)調(diào)節(jié)到FB_ = REF（約2.5V）。通過(guò)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(jì)算公式為： (VOUT = VREF (1 + R1 / R2)) ，其中 (V{REF}=2.5V) （標(biāo)稱值）。為了補(bǔ)償MAX8741/MAX8742約2%的典型負(fù)載調(diào)節(jié)誤差，標(biāo)稱輸出應(yīng)設(shè)置為比目標(biāo)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(shí)可實(shí)現(xiàn)500kHz的工作頻率，連接到GND時(shí)則為333kHz。此外，該引腳還可以接受400kHz至583kHz的外部時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行同步。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的頻率，例如在對(duì)效率要求較高時(shí)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(shí)現(xiàn)最低噪聲。在噪聲敏感的應(yīng)用中，如Hi - Fi多媒體設(shè)備、手機(jī)、RF通信計(jì)算機(jī)等，將該引腳拉高可以有效減少開(kāi)關(guān)噪聲帶來(lái)的干擾。但需要注意的是，SKIP引腳拉高時(shí) (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(kāi)關(guān)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(shí)功能的復(fù)位輸出引腳。上電后，RESET引腳會(huì)被拉低，直到3.3V和5V SMPS輸出都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后經(jīng)過(guò)32000個(gè)時(shí)鐘周期（在500kHz時(shí)為64ms，在333kHz時(shí)為96ms）后，RESET引腳會(huì)被拉高。如果SEQ引腳連接到REF，則僅監(jiān)測(cè)3.3V SMPS輸出，忽略5V SMPS輸出。
四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)
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(jìn)行權(quán)衡。較低的電感值可以減小尺寸和成本，但會(huì)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(guò)多的繞組匝數(shù)會(huì)導(dǎo)致電阻損耗增加，并且可能影響負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。在連續(xù)傳導(dǎo)模式下，電感值可根據(jù)以下公式計(jì)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(fù)載電流的比值，通常取0.3，且應(yīng)大于0.15。
4.2 電流檢測(cè)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(lái)計(jì)算電流檢測(cè)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(lái)確定MOSFET開(kāi)關(guān)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(lái)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(gè)公式：
[R{ESR}
4.4 MOSFET選擇
高電流n溝道MOSFET應(yīng)選擇邏輯電平類型，確保在 (V{GS}=4.5V) 時(shí)有可靠的導(dǎo)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(yīng)至少等于最大輸入電壓，最好有20%的降額系數(shù)。同時(shí)，MOSFET的導(dǎo)通電阻與柵極電荷的乘積越小越好，以減少開(kāi)關(guān)損耗。例如，可以通過(guò)比較不同MOSFET的 (R{DS(ON)} × Q_{G}) 值來(lái)選擇合適的器件。在高電流應(yīng)用中，還需要考慮MOSFET的封裝功率耗散，避免器件過(guò)熱。
4.5 PCB布局
良好的PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)指定的噪聲、效率和穩(wěn)定性性能至關(guān)重要。布局時(shí)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(cè)電阻的走線長(zhǎng)度最短，并采用Kelvin連接以保證準(zhǔn)確的電流檢測(cè)。同時(shí)，盡量縮短高電流路徑中的接地走線長(zhǎng)度和其他走線長(zhǎng)度，使用寬度大于5mm的走線，如CIN到高端MOSFET漏極的走線長(zhǎng)度最大為10mm，整流二極管陰極到低端MOSFET的走線長(zhǎng)度最大為5mm，LX節(jié)點(diǎn)的走線長(zhǎng)度最大為15mm。理想情況下，表面貼裝功率組件應(yīng)相互靠近，其接地端子幾乎接觸，然后通過(guò)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(guò)過(guò)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(zhǔn)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(hào)組件放置：將IC和信號(hào)組件遠(yuǎn)離主開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（LX節(jié)點(diǎn)），避免敏感的模擬組件（如電流檢測(cè)走線和REF電容）受到干擾。IC和模擬組件應(yīng)放置在電路板與功率開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)相對(duì)的一側(cè)，并且IC與電流檢測(cè)電阻的距離不應(yīng)超過(guò)10mm。同時(shí)，將柵極驅(qū)動(dòng)走線（DH_、DL和BST）的長(zhǎng)度控制在20mm以內(nèi)，并使其遠(yuǎn)離CSH_、CSL_和REF。
- 單點(diǎn)星形接地：采用單點(diǎn)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(gè)接地引腳和所有IC旁路電容連接到正常接地平面。
五、應(yīng)用電路示例
5.1 標(biāo)準(zhǔn)3.3V/5V應(yīng)用電路
該電路（如圖1所示）是一個(gè)基本的雙輸出降壓轉(zhuǎn)換器電路，通過(guò)替換表1中的組件，可以輕松適應(yīng)輸入電壓高達(dá)28V的各種應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的負(fù)載電流和頻率要求選擇合適的組件。例如，在4A/333kHz的應(yīng)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(yīng)用電路（MAX8742）
圖10展示了MAX8742的三重輸出應(yīng)用電路，除了3.3V和5V輸出外，還可以通過(guò)12OUT引腳提供12V/120mA的線性穩(wěn)壓輸出。在設(shè)計(jì)該電路時(shí)，需要注意變壓器的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇，以確保各個(gè)輸出的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，要根據(jù)負(fù)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(gè)適用于筆記本電腦的雙6A電源電路，能夠?yàn)楣P記本電腦的不同組件提供穩(wěn)定的電源。在設(shè)計(jì)該電路時(shí)，要充分考慮筆記本電腦的功耗特點(diǎn)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(fù)載情況下都能保持高效穩(wěn)定的運(yùn)行。同時(shí)，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(xiàng)
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(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。低絕對(duì)輸入電壓可能導(dǎo)致 (V_{L}) 線性穩(wěn)壓器進(jìn)入降壓模式并最終關(guān)閉，而低輸入輸出壓差可能導(dǎo)致多輸出反激應(yīng)用中的負(fù)載調(diào)節(jié)性能變差，或者在負(fù)載電流突然變化時(shí)導(dǎo)致輸出電壓下降。為了避免這些問(wèn)題，可以采取以下措施：
- 增加輸出電容值：當(dāng)輸入輸出壓差較小時(shí)，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(gè)333kHz/6A的應(yīng)用電路中，當(dāng) (V{IN}=+5.5V) ， (V{out}=+5V) ， (L = 6.7mu H) ， (f = 333kHz) ， (I_{STEP}=3A) （半載階躍）時(shí)，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(shí)的性能。
- 優(yōu)化組件參數(shù)：選擇導(dǎo)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(shí)的性能。
6.2 故障排除
| 當(dāng)出現(xiàn)低電壓相關(guān)的故障時(shí)，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(jié)
MAX8741/MAX8742多輸出電源控制器以其高效、多功能和靈活的特點(diǎn)，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(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇組件、優(yōu)化PCB布局，并注意低電壓操作時(shí)的問(wèn)題。通過(guò)深入理解其工作原理和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，我們可以充分發(fā)揮這款控制器的性能，設(shè)計(jì)出更加穩(wěn)定、高效的電源電路。
希望這篇文章能對(duì)大家在使用MAX8741/MAX8742進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。如果你在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到任何問(wèn)題，或者有其他相關(guān)的技術(shù)交流需求，歡迎在評(píng)論區(qū)留言討論。
-
電源控制器
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
205瀏覽量
34626
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
評(píng)論