深度剖析MAX1920/MAX1921：低電壓、400mA降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在現(xiàn)代電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電源管理模塊至關(guān)重要，特別是對(duì)于那些對(duì)空間和效率有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景。今天，我們就來深入探討一款性能出色的降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器——MAX1920/MAX1921。

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一、產(chǎn)品概述

MAX1920/MAX1921是低電壓、400mA的降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，采用獨(dú)特的專有電流限制控制方案，能夠在輸出低至1.25V的情況下提供超過400mA的電流，效率高達(dá)90%以上。其靜態(tài)電源電流極低，僅為50μA，同時(shí)高達(dá)1.2MHz（最大值）的工作頻率允許使用小型、低成本的外部組件。這種特性組合使它們成為空間受限應(yīng)用中線性穩(wěn)壓器的高效替代品。內(nèi)部同步整流大大提高了效率，并且無需傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器中所需的外部肖特基二極管。此外，兩款器件還具備內(nèi)部數(shù)字軟啟動(dòng)功能，可限制啟動(dòng)時(shí)的輸入電流并減少輸入電容器的要求。

MAX1920提供可調(diào)輸出電壓（1.25V至4V），而MAX1921則提供工廠預(yù)設(shè)輸出電壓。它們均采用節(jié)省空間的6引腳SOT23封裝，MAX1920還提供6引腳TDFN封裝。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

這款轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用范圍十分廣泛，主要包括：

• 下一代無線手持設(shè)備：如智能手機(jī)等，對(duì)電源的效率和空間占用有較高要求。
• PDA、掌上電腦和手持終端：需要高效穩(wěn)定的電源來保證設(shè)備的正常運(yùn)行。
• 電池供電設(shè)備：低靜態(tài)電流可延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。
• CDMA功率放大器電源：能夠提供穩(wěn)定的電源輸出，滿足功率放大器的工作需求。

三、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

1. 高輸出能力：保證400mA的輸出電流，能滿足大多數(shù)中小功率設(shè)備的需求。
2. 高效同步整流：內(nèi)部同步整流器使效率超過90%，有效降低了功耗。
3. 小封裝設(shè)計(jì)：采用6引腳SOT23封裝，對(duì)于空間受限的設(shè)計(jì)非常友好，MAX1920還提供6引腳TDFN封裝可供選擇。
4. 高開關(guān)頻率：高達(dá)1.2MHz的開關(guān)頻率，允許使用小型外部組件，進(jìn)一步節(jié)省了電路板空間。
5. 低靜態(tài)電流：僅50μA的靜態(tài)電源電流，有助于延長(zhǎng)電池壽命。
6. 邏輯控制關(guān)斷：具有0.1μA的邏輯控制關(guān)斷電流，在不使用時(shí)可大幅降低功耗。
7. 寬輸入范圍：2V至5.5V的輸入范圍，可適應(yīng)多種電源供電。
8. 精準(zhǔn)輸出電壓：MAX1921有固定的1.5V、1.8V、2.5V、3V和3.3V輸出電壓，MAX1920輸出電壓可調(diào)，且初始精度為±1.5%。
9. 軟啟動(dòng)功能：軟啟動(dòng)可限制啟動(dòng)電流，減少對(duì)輸入電源的沖擊。

四、電氣參數(shù)詳解

這些詳細(xì)的電氣參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了精確的參考，幫助我們根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理的選型和設(shè)計(jì)。

五、控制方案

MAX1920/MAX1921采用專有的電流限制控制方案，以確保高效率、快速瞬態(tài)響應(yīng)和使用小型外部組件。當(dāng)輸出電壓超出穩(wěn)壓范圍時(shí)，誤差比較器通過導(dǎo)通高端開關(guān)啟動(dòng)一個(gè)開關(guān)周期。該開關(guān)保持導(dǎo)通狀態(tài)，直到達(dá)到400ns的最小導(dǎo)通時(shí)間，且輸出電壓穩(wěn)定或超過電流限制閾值。高端開關(guān)關(guān)斷后，將保持關(guān)斷狀態(tài)，直到達(dá)到400ns的最小關(guān)斷時(shí)間，且輸出電壓再次超出穩(wěn)壓范圍。在此期間，低端同步整流器導(dǎo)通，并保持導(dǎo)通狀態(tài)，直到高端開關(guān)再次導(dǎo)通或電感電流接近零。這種控制方案使得MAX1920/MAX1921在整個(gè)負(fù)載電流范圍內(nèi)都能提供出色的性能。

在輕負(fù)載時(shí)，高端開關(guān)在最小導(dǎo)通時(shí)間后關(guān)斷，以減少電感峰值電流，從而提高效率并降低輸出電壓紋波。在中高輸出電流時(shí)，為了保持穩(wěn)壓，可根據(jù)需要延長(zhǎng)導(dǎo)通時(shí)間或關(guān)斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)接近恒定頻率的高效運(yùn)行和低輸出電壓紋波。

六、關(guān)斷模式

將SHDN引腳連接到GND可使MAX1920/MAX1921進(jìn)入關(guān)斷模式，此時(shí)電源電流降至0.1μA。在關(guān)斷模式下，控制電路、內(nèi)部開關(guān)MOSFET和同步整流器均關(guān)閉，LX引腳變?yōu)楦咦杩?。將SHDN引腳連接到IN則可實(shí)現(xiàn)正常工作。

七、軟啟動(dòng)功能

MAX1920/MAX1921具備內(nèi)部軟啟動(dòng)電路，可限制啟動(dòng)時(shí)的電流汲取，減少輸入電源的瞬態(tài)變化。軟啟動(dòng)對(duì)于高阻抗輸入源（如鋰離子和堿性電池）特別有用。軟啟動(dòng)通過將電流限制初始設(shè)置為其滿值的25%，并逐步以25%的步長(zhǎng)增加，直到達(dá)到滿電流限制。這一過程在典型工作特性的軟啟動(dòng)和關(guān)斷響應(yīng)曲線中可以清晰看到。

八、設(shè)計(jì)步驟

1. 電壓定位：圖1和圖2的應(yīng)用電路使用小型陶瓷輸出電容器。為了保證穩(wěn)定性，電路通過R1從LX節(jié)點(diǎn)獲取反饋，同時(shí)通過CFF進(jìn)行負(fù)載瞬態(tài)前饋。由于沒有來自輸出的直流反饋，輸出電壓的負(fù)載調(diào)整率等于輸出負(fù)載電流乘以電感的串聯(lián)電阻。這種少量的負(fù)載調(diào)整類似于個(gè)人計(jì)算機(jī)中高性能微處理器電源所采用的電壓定位方式，可有效減少負(fù)載瞬態(tài)期間的下沖和過沖。
2. 電感選擇
   • 首先計(jì)算應(yīng)用的最大占空比：(DutyCycle (MAX)=frac{V{OUT }}{V{IN }(MIN)} × 100 %)
   • 然后計(jì)算電感上的臨界電壓：
     • 若(DutyCycle (MAX) <50 %)，則(V{CRITICAL }=left(V{IN}(MIN)-V_{OUT }right))；
     • 否則(V{CRITICAL }=V{OUT })
   • 最后計(jì)算最小電感值：(L(MIN)=2.5 × 10^{-6} × V_{CRITICAL })

選擇比(L(MIN))大的下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值。一個(gè)額定電流為550mA的電感足以防止輸出電流高達(dá)400mA時(shí)出現(xiàn)飽和。為了提高效率，應(yīng)選擇低直流電阻的電感。文檔中給出了一些建議的電感型號(hào)和供應(yīng)商，如Coilcraft的LPO1704、Sumida的CDRH3D16等。

3. 電容選擇
   • 輸入電容：對(duì)于幾乎所有應(yīng)用，輸入電容(C{IN})可以使用小至2.2μF的X5R或X7R陶瓷電容。輸入電容用于過濾電壓源處的峰值電流和噪聲，因此必須滿足輸入紋波要求和電壓額定值?？赏ㄟ^公式(IN (RMS)=IOUT ( MAX ) × frac{sqrt{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}}{V_{IN }})計(jì)算最大RMS輸入電流。
   • 輸出電容：輸出電容(C_{OUT})可以是陶瓷或鉭電容，具體取決于所選的應(yīng)用電路。
     • 陶瓷輸出電容：使用圖1或圖2的應(yīng)用電路，計(jì)算最小電容值(C{OUT }(MIN)=2.5 × 10^{-6} × V{CRITICAL })，選擇比(C{OUT}(MIN))大的下一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值。雖然比(C{OUT}(MIN))大很多的值可以改善瞬態(tài)性能和穩(wěn)定性，但會(huì)增加電容的尺寸和成本。
     • 鉭輸出電容：使用圖3或圖4的應(yīng)用電路，(C{OUT})的等效串聯(lián)電阻（ESR）必須足夠大以保證穩(wěn)定性。一般來說，反饋節(jié)點(diǎn)處25mV的ESR紋波就足夠了，簡(jiǎn)化計(jì)算為(ESR{COUT }(MIN)=8.0 × 10^{-2} × V{OUT })。由于鉭電容很少指定最小ESR，因此應(yīng)選擇典型ESR約為(ESR{COUT}(MIN))兩倍的電容。計(jì)算最小輸出電容值(C{OUT }(MIN)=1.25 × frac{L × I{OUT }( MAX )}{ESR{COUT }(MIN) × V{CRITICAL }})，選擇任何比(C_{OUT}(MIN))大的標(biāo)準(zhǔn)值。
4. 反饋和補(bǔ)償
   • MAX1921使用陶瓷(C_{OUT})：在使用圖1的應(yīng)用電路時(shí)，電感的串聯(lián)電阻會(huì)產(chǎn)生少量的負(fù)載調(diào)整，這是電壓定位負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)所期望的。選擇(R1)使得空載時(shí)(V{OUT})比負(fù)載調(diào)整的一半略高，簡(jiǎn)化計(jì)算為(R 1=5 × 10^{4} × R{L}(M A X))，選擇一個(gè)在計(jì)算值20%以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電阻值。然后計(jì)算(C{FF})以在內(nèi)部反饋節(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)25mV的紋波，簡(jiǎn)化計(jì)算為(C{FF}=2.5 × 10^{-5} / R 1)，選擇一個(gè)在計(jì)算值(C_{FF})20%以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電容值。
   • MAX1920使用陶瓷(C_{OUT})：使用圖2的應(yīng)用電路時(shí)，選擇(R1)和(R2)使得空載時(shí)(V{out})比負(fù)載調(diào)整的一半略高，計(jì)算公式為(R 1=R 2 timesleft(frac{V{OUT }+R{L} × I{OUT }(M A X) / 2}{V{REF }}-1right))，其中(R2)選擇在50kΩ至500kΩ范圍內(nèi)，(V{REF}=1.25V)，(R{L})是電感的典型串聯(lián)電阻，使用1%或更高精度的電阻。接著計(jì)算FB節(jié)點(diǎn)處的等效電阻(Req=R 1 | R 2=frac{R 1 × R 2}{R 1+R 2})，再計(jì)算(C{FF})以在FB處實(shí)現(xiàn)25mV的紋波，簡(jiǎn)化計(jì)算為(C{FF}=2.5 × 10^{-5} / Reg)，選擇一個(gè)在計(jì)算值(C{FF})20%以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電容值。
   • MAX1920使用鉭(C_{OUT})：使用圖4的應(yīng)用電路時(shí)，選擇(R1)和(R2)以獲得所需的(V{OUT})，計(jì)算公式為(R 1=R 2 timesleft(frac{V{OUT }}{V{REF }}-1right))，其中(R2)選擇小于50kΩ，(V{REF}=1.25V)，使用1%或更高精度的電阻。

     九、布局注意事項(xiàng)

     由于開關(guān)頻率較高，PCB布局在設(shè)計(jì)中非常重要。良好的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少反饋路徑上的過度EMI和接地平面中的電壓梯度，因?yàn)檫@些都可能導(dǎo)致不穩(wěn)定或調(diào)節(jié)誤差。應(yīng)將電感、輸入濾波電容和輸出濾波電容盡可能靠近器件連接，并保持它們的走線短、直且寬。將它們的接地引腳在一個(gè)星型接地配置的單個(gè)公共節(jié)點(diǎn)處連接。外部電壓反饋網(wǎng)絡(luò)應(yīng)非常靠近FB引腳，距離在0.2英寸（5mm）以內(nèi)。應(yīng)使嘈雜的走線（如LX走線）遠(yuǎn)離電壓反饋網(wǎng)絡(luò)，并使用接地銅箔將它們分開。MAX1920/MAX1921評(píng)估套件數(shù)據(jù)手冊(cè)中包含了正確的PCB布局和布線方案。

十、總結(jié)

MAX1920/MAX1921以其高效、小封裝、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，為電子工程師在設(shè)計(jì)電源管理模塊時(shí)提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。通過合理的電感、電容選擇，以及精確的反饋和補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)，結(jié)合良好的PCB布局，能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，大家不妨根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，參考本文提供的設(shè)計(jì)步驟和參數(shù)，打造出穩(wěn)定、高效的電源電路。你在使用MAX1920/MAX1921的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。