探索MAX1973/MAX1974：超小型1A、1.4MHz降壓調(diào)節(jié)器的卓越性能

在當(dāng)今電子設(shè)備不斷追求小型化、高效化的大趨勢下，電源管理芯片的性能愈發(fā)關(guān)鍵。今天我們要深入剖析的就是Maxim公司推出的兩款極具特色的降壓調(diào)節(jié)器——MAX1973和MAX1974，它們被譽(yù)為超小型1A、1.4MHz降壓調(diào)節(jié)器，擁有眾多引人矚目的特性和廣泛的應(yīng)用場景。

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一、產(chǎn)品概述

MAX1973/MAX1974屬于恒定頻率為1.4MHz的脈沖寬度調(diào)制（PWM）電流模式降壓調(diào)節(jié)器。其輸入電壓范圍為2.6V至5.5V，輸出電壓既可以通過外部分壓器進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，最低能設(shè)定到0.75V；也可以預(yù)設(shè)為1V、1.5V（僅MAX1974支持）、1.8V或2.5V（僅MAX1973支持），無需額外的外部電阻。

獨(dú)特特性

• 小巧的電路尺寸：電路占地面積僅0.19平方英寸，高度低至1.8mm，為設(shè)計(jì)緊湊的電子產(chǎn)品提供了極大便利。
• 高頻運(yùn)作優(yōu)勢：固定的1.4MHz工作頻率使其能夠避開DSL頻段，確保穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)還具備快速的瞬態(tài)響應(yīng)，并且允許使用小型外部組件。
• 高精度輸出：在負(fù)載、線路和溫度的工作范圍內(nèi)，輸出電壓精度可達(dá)±1%，為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定可靠的電源保障。
• 特色功能差異：MAX1973具備電壓裕量功能，能夠?qū)⑤敵鲭妷荷舷缕?%，方便進(jìn)行電路板級生產(chǎn)測試；而MAX1974則提供POK輸出，用于指示輸出何時(shí)達(dá)到其標(biāo)稱穩(wěn)壓電壓的90%。

二、工作原理深度解析

PWM控制策略

這兩款芯片采用了固定頻率的PWM電流模式控制方案。PWM電流模式控制器的核心是一個(gè)開環(huán)比較器，它會(huì)將積分電壓反饋信號(hào)與放大后的電流檢測信號(hào)和斜坡補(bǔ)償信號(hào)之和進(jìn)行比較。在內(nèi)部時(shí)鐘的每個(gè)上升沿，內(nèi)部高端MOSFET開啟，直至PWM比較器觸發(fā)。在此期間，電流通過電感上升，為輸出提供電流并將能量存儲(chǔ)在磁場中。這種控制方式能夠有效調(diào)節(jié)電感的峰值電流，使電路如同一個(gè)開關(guān)模式跨導(dǎo)放大器，將輸出LC濾波器極點(diǎn)推至更高頻率，同時(shí)通過內(nèi)部斜坡補(bǔ)償信號(hào)確保內(nèi)環(huán)穩(wěn)定性，消除電感的階梯現(xiàn)象。

100%占空比運(yùn)行

MAX1973/MAX1974具備在100%占空比下運(yùn)行的能力。在此狀態(tài)下，高端P溝道MOSFET持續(xù)導(dǎo)通（不進(jìn)行開關(guān)操作），此時(shí)的壓降電壓等于輸出電流乘以P溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻（RDS(ON)P）和電感電阻（RL）之和，即VDROPOUT = IOUT ×（RDS(ON)P + RL）。

電流檢測與限流

電流檢測電路會(huì)放大由高端MOSFET的導(dǎo)通電阻和電感電流產(chǎn)生的電流檢測電壓。當(dāng)這個(gè)放大后的電流檢測信號(hào)與內(nèi)部斜坡補(bǔ)償信號(hào)之和超過積分反饋電壓時(shí)，PWM比較器會(huì)關(guān)閉內(nèi)部高端MOSFET。內(nèi)部高端MOSFET的電流限制為1.6A（典型值），若LX流出的電流超過該最大值，高端MOSFET將關(guān)閉，同步整流MOSFET開啟，從而降低占空比，使輸出電壓下降，直至電流限制不再被突破。此外，同步整流器還有-0.85A的電流限制，以防止電流流入LX，當(dāng)超過此負(fù)電流限制時(shí)，同步整流器關(guān)閉，電感電流通過高端MOSFET體二極管流回輸入，直至下一個(gè)周期開始或電感電流降至零。

軟啟動(dòng)功能

為了減少電源浪涌電流，軟啟動(dòng)電路在啟動(dòng)期間通過一個(gè)20μA的電流源對SS電容進(jìn)行充電，使輸出電壓逐漸上升。當(dāng)SS達(dá)到其標(biāo)稱值時(shí)，輸出進(jìn)入完全穩(wěn)壓狀態(tài)。軟啟動(dòng)時(shí)間（tSS）由公式tSS = (VSS / ISS) × CSS確定，其中VSS為軟啟動(dòng)（參考）電壓（MAX1973為1.25V，MAX1974為0.75V），ISS為20μA，CSS為連接到SS的電容值。軟啟動(dòng)在首次通電、設(shè)備退出關(guān)機(jī)狀態(tài)、欠壓鎖定（UVLO）或熱過載保護(hù)恢復(fù)時(shí)都會(huì)觸發(fā)。

欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)VIN降至2.35V（典型值）以下時(shí)，MAX1973/MAX1974會(huì)判定電源電壓過低，無法提供有效的輸出電壓，此時(shí)UVLO電路會(huì)禁止開關(guān)操作。當(dāng)VIN上升到2.4V以上時(shí)，UVLO功能禁用，軟啟動(dòng)序列開始。

熱過載保護(hù)

熱過載保護(hù)功能能夠限制總功耗，保護(hù)IC在過載或短路情況下免受損壞。當(dāng)IC結(jié)溫（TJ）超過+170°C時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)結(jié)溫下降20°C后，設(shè)備再次開啟，從而在持續(xù)熱過載條件下實(shí)現(xiàn)脈沖輸出。

三、關(guān)鍵應(yīng)用信息

輸出電壓選擇

輸出電壓可以設(shè)置為兩個(gè)預(yù)設(shè)值之一，或者通過外部電阻分壓器進(jìn)行調(diào)整。對于預(yù)設(shè)輸出電壓，只需將FB連接到輸出，并將FBSEL連接到GND或IN以選擇所需的預(yù)設(shè)輸出電壓。若要設(shè)置為其他值，不連接FBSEL，將FB連接到分壓器，通過公式R1 = R2 × ((VOUT / VFB) - 1)計(jì)算R1的值。其中，MAX1973的VFB = 1.25V，輸出可低至1.25V；MAX1974的VFB = 0.75V，輸出可低至0.75V。不過，由于PWM電路的穩(wěn)定最小占空比為17%，這限制了可生成的最小輸出電壓為0.17 × VIN，當(dāng)VIN/VOUT比率低于0.17時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定。

電感選擇

對于滿載（1A）應(yīng)用，建議使用飽和電流至少為1.25A、電感值在2.2μH至4.7μH之間的電感。對于較低負(fù)載電流，可相應(yīng)降低電感的電流額定值。一般來說，選擇電流額定值為最大所需輸出電流1.25倍的電感，并且為了獲得最佳效率，電感的直流電阻應(yīng)盡可能小。電感值（LINIT）可通過公式LINIT = (VOUT × (VIN - VOUT)) / (VIN × LIR × IOUT(MAX) × fSW)計(jì)算，其中fSW為開關(guān)頻率（1.4 × 10?Hz），LIR為電感紋波電流占最大負(fù)載電流的百分比，建議保持在20%至40%之間以平衡成本、尺寸和性能。

電容選擇

• 輸入電容：推薦使用4.7μF的陶瓷輸入電容，因其具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL）和較低成本的優(yōu)點(diǎn)。為確保在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，建議選擇X5R或X7R電介質(zhì)。輸入電容能夠減少從電源汲取的峰值電流，降低電路開關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。其需滿足由開關(guān)電流決定的紋波電流要求（IRMS = (IOUT / VIN) × √(VOUT × (VIN - VOUT))），選擇在最大工作RMS電流下溫度上升小于10°C的電容，以保證長期可靠性。
• 輸出電容：同樣推薦使用4.7μF的陶瓷輸出電容，其低ESR、ESL和低成本特性使其成為理想選擇。X5R或X7R電介質(zhì)可確保在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。輸出電容的關(guān)鍵選擇參數(shù)包括電容值、ESR和電壓額定值，這些參數(shù)會(huì)影響DC - DC轉(zhuǎn)換器的整體穩(wěn)定性、輸出紋波電壓和瞬態(tài)響應(yīng)。輸出紋波由輸出電容存儲(chǔ)電荷的變化和電容ESR上的電壓降產(chǎn)生，可通過相關(guān)公式計(jì)算。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)取決于所選的輸出電容，在負(fù)載瞬變期間，輸出電壓會(huì)瞬間變化ESR × ?ILOAD，控制器響應(yīng)后會(huì)將輸出電壓調(diào)節(jié)回標(biāo)稱狀態(tài)，控制器響應(yīng)時(shí)間取決于閉環(huán)帶寬，但為保持穩(wěn)定運(yùn)行，帶寬不應(yīng)高于fSW/10。

補(bǔ)償組件

內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器用于補(bǔ)償控制回路。在COMP和GND之間連接一個(gè)串聯(lián)電阻和電容，形成一個(gè)零極點(diǎn)對，外部電感、輸出電容、補(bǔ)償電阻和補(bǔ)償電容共同決定了環(huán)路帶寬和穩(wěn)定性?？赏ㄟ^公式計(jì)算CC和RC的值，以優(yōu)化控制回路。例如，對于使用MAX1973輸出2.5V、最大輸出電流為1A的電路，可計(jì)算出CC和RC的近似值，并選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值。

四、PCB布局要點(diǎn)

一個(gè)設(shè)計(jì)合理的PCB布局對于任何開關(guān)調(diào)節(jié)器都至關(guān)重要，特別是開關(guān)功率級。以下是一些PCB布局的關(guān)鍵準(zhǔn)則：

• 盡可能將去耦電容靠近IC引腳放置，將電源接地平面（連接到PGND）和信號(hào)接地平面（連接到GND）分開，并在一點(diǎn)連接。
• 輸入和輸出電容連接到電源接地平面，其他電容連接到信號(hào)接地平面，走線應(yīng)盡可能短而寬。
• 如有可能，將IN、LX和PGND分別連接到大面積焊盤，以幫助IC散熱，提高效率和長期可靠性。
• 確保所有反饋連接短而直接，反饋電阻（若使用）應(yīng)盡可能靠近IC放置。
• 將高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)（LX）遠(yuǎn)離敏感模擬區(qū)域（FB、COMP、SS），避免信號(hào)干擾。

五、總結(jié)

MAX1973/MAX1974降壓調(diào)節(jié)器憑借其緊湊的尺寸、高效的性能和豐富的功能，為各種需要高效電源管理的應(yīng)用提供了理想解決方案。無論是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、基站、調(diào)制解調(diào)器/路由器還是光學(xué)模塊等領(lǐng)域，它們都能發(fā)揮出色作用。在設(shè)計(jì)過程中，合理選擇和應(yīng)用輸出電壓、電感、電容及補(bǔ)償組件，并遵循正確的PCB布局規(guī)則，將有助于充分發(fā)揮這兩款芯片的性能優(yōu)勢，打造出更穩(wěn)定、高效的電子系統(tǒng)。你在使用類似降壓調(diào)節(jié)器時(shí)遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。