深入解析MAX17795：高效同步降壓DC - DC轉換器的卓越之選

在電子工程師的日常設計工作中，電源管理芯片的選擇至關重要。一款性能優異的DC - DC轉換器能夠為系統提供穩定、高效的電源，確保設備的可靠運行。今天，我們就來深入探討一下Analog Devices公司的MAX17795，這是一款高電壓、高效率的同步降壓DC - DC轉換器，它集成了MOSFET，能在3V至80V的寬輸入電壓范圍內工作，最大可輸出5A電流，輸出電壓范圍從0.6V到輸入電壓的90%。

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一、關鍵特性

1. 減小方案尺寸和成本

• 同步操作：采用無肖特基二極管的同步操作，減少了外部元件的使用，降低了成本。
• 內部補償：內置補償組件，無需外部補償元件，簡化了設計。
• 全陶瓷電容：支持全陶瓷電容，有助于實現緊湊的布局，減小方案尺寸。
• 可調輸出：輸出電壓范圍可調，從0.6V到輸入電壓的90%，滿足不同應用需求。
• 可調頻率：開關頻率可在300kHz至1.5MHz之間調節，并支持外部時鐘同步，方便與其他系統進行同步。

2. 降低功耗

• 高效率：在(V{IN}=48V)和(V{out}=5V)的條件下，峰值效率可達92%。
• 輕載效率提升：采用開關頻率調制（SFM）模式，在輕載時提高效率。
• 外部偏置輸入：外部偏置輸入可提高效率，降低功耗。
• 溫度監測：具備芯片溫度監測功能，可實時了解芯片工作狀態。

3. 惡劣工業環境下可靠運行

• 過載保護：內置打嗝模式過載保護，在過載或短路時保護芯片。
• 可編程軟啟動：可編程軟啟動功能，減少啟動時的浪涌電流。
• 輸出電壓監測：通過RESET/TJ引腳可監測輸出電壓狀態。
• 可編程EN/UVLO閾值：可根據需求設置輸入欠壓鎖定閾值。
• 電磁兼容性：符合CISPR32（EN55032）Class B傳導和輻射發射標準，降低電磁干擾。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，結溫范圍為 - 40°C至 + 150°C，適應惡劣工業環境。

二、工作模式

1. PWM模式

在PWM模式下，電感電流允許為負，能在所有負載下提供恒定頻率的操作，適用于對開關頻率敏感的應用。但在輕載時，其效率相對SFM模式較低。

2. SFM模式

SFM模式下，輕載時電感電流不連續，可降低開關頻率，使設備進入休眠狀態，從而提高輕載效率。當負載所需的電感峰值電流小于(I_{PK - SFM})，且電感谷值電流連續32個開關周期達到零時，設備進入SFM模式；當負載所需的電感峰值電流超過該值時，設備退出SFM模式。此外，在SFM模式下，當設備在每個開關周期的高阻抗狀態持續超過7.5μs，且連續8個開關周期都是如此時，設備進入休眠模式；當休眠時間小于6.5μs時，設備退出休眠模式。不過，SFM模式下的輸出電壓紋波比PWM模式高，可通過調整輸出電容來達到所需的穩態輸出電壓紋波。

三、引腳功能

1. BST引腳

用于連接自舉電容，連接一個0.1μF的陶瓷電容在BST和LX引腳之間。

2. LX引腳

開關節點引腳，LX（Pin 2）連接到自舉電容的一端，LX（Pin 6）連接到電感的開關側。

3. IN引腳

電源輸入引腳，需要兩個0.1μF的輸入旁路電容，分別放置在IN（Pin 3）和PGND（Pin 4, 5）以及IN（Pin 9）和PGND（Pin 7, 8）之間，且輸入電容應盡可能靠近MAX17795。

4. PGND引腳

電源接地引腳，連接到電源接地平面。

5. EN/UVLO引腳

使能/欠壓鎖定引腳，將該引腳拉高可使能設備，連接到IN和SGND引腳之間的電阻分壓器中心節點可設置設備開啟的輸入電壓，拉低則禁用設備。

6. EXTVCC引腳

外部偏置輸入引腳，當輸出電壓在2.5V至24V之間時，將該引腳連接到轉換器輸出電壓節點可提高效率；不使用該功能時，將其連接到SGND引腳。

7. FB引腳

反饋輸入引腳，連接到輸出到SGND引腳的外部電阻分壓器的中心節點，用于設置輸出電壓。

8. RT引腳

開關頻率編程輸入引腳，連接一個電阻到SGND引腳可設置轉換器的開關頻率，范圍為300kHz至1.5MHz；若該引腳懸空，則默認開關頻率為400kHz。

9. SS引腳

軟啟動輸入引腳，連接一個電容到SGND引腳可設置軟啟動時間。

10. MODE/SYNC引腳

模式選擇/外部時鐘同步輸入引腳，可配置設備工作在PWM或SFM模式，也可用于將轉換器與外部時鐘同步。

11. RESET/TJ引腳

開漏狀態輸出/芯片溫度監測輸出引腳，可用于監測輸出電壓狀態或芯片溫度，但這兩個功能不能同時使用。

12. SGND引腳

信號接地引腳。

13. INTVCC引腳

1.8V線性穩壓器輸出引腳，連接一個至少2.2μF的陶瓷電容到SGND引腳，該線性穩壓器不支持INTVCC引腳的外部負載。

14. EP引腳

外露焊盤，內部連接到IN引腳，在PCB上應使用平面將其連接到IN引腳。

四、應用信息

1. 輸入電容選擇

輸入濾波電容可減少從電源吸取的峰值電流，降低電路開關引起的輸入噪聲和電壓紋波。輸入電容的RMS電流要求可通過公式(I{RMS}=I{OUT(MAX)} × frac{sqrt{(V{IN}-V{OUT}) × V{OUT}}}{V{IN}})計算，當輸入電壓等于輸出電壓的兩倍時，(I{RMS})達到最大值(I{RMS(MAX)}=frac{I{OUT(MAX)}}{2})。應選擇在RMS輸入電流下溫度上升小于 + 10°C的輸入電容，建議使用低ESR、高紋波電流能力的陶瓷電容，如X7R電容。輸入電容的計算可使用公式(C{IN}=frac{I{OUT(MAX)} × D ×(1 - D)}{eta × f{SW} × Delta V_{IN}})，同時要考慮陶瓷電容在直流偏置電壓下的降額情況。在電源與設備輸入距離較遠的應用中，應并聯一個合適的電解電容以提供必要的阻尼，防止因較長輸入電源路徑的電感和輸入陶瓷電容引起的振蕩。

2. 電感選擇

選擇電感時，需要確定三個關鍵參數：電感值（L）、電感飽和電流（(I{SAT})）和直流電阻（(R{DCR})）。電感值可根據公式(L=frac{0.45 × V{OUT}}{f{SW}})計算，應選擇最接近計算值的電感，并選擇低損耗、尺寸合適且直流電阻盡可能低的電感。電感的飽和電流額定值應足夠高，以確保在超過(I_{PEAK - LIMIT})時才會發生飽和。

3. 輸出電容選擇

在工業應用中，由于X7R陶瓷輸出電容在溫度范圍內具有穩定性，因此是首選。輸出電容的大小通常要能夠支持應用中最大輸出電流40%的階躍負載，使輸出電壓偏差控制在輸出電壓的3%以內。最小所需輸出電容可通過公式(C{OUT1}=frac{1}{2} × frac{I{STEP} × t{RESPONSE}}{Delta V{OUT}})計算，其中(t{RESPONSE} cong frac{0.35}{f{C}})。對于開關頻率小于或等于500kHz的情況，選擇(f{c})為(f{sw})的1/9；若開關頻率大于500kHz，則選擇(f{c})為60kHz。在SFM模式下，滿足特定負載下輸出電壓紋波規格所需的最小輸出電容可通過公式(C{OUT2}=frac{1}{2} × frac{L{SEL} ×(I{PK - SFM}-I{O})^{2}}{Delta V{OUT - RIPPLE}} ×(frac{1}{V{IN}-V{OUT}}+frac{1}{V{OUT}}))計算，其中(I{O})小于或等于(I{PK - SFM})的一半。最終選擇的輸出電容應為(C{OUT1})和(C_{OUT2})中的較大值，同時要考慮陶瓷電容在直流偏置電壓下的降額情況。

4. 軟啟動電容選擇

MAX17795通過連接在SS引腳和SGND引腳之間的電容來實現可調軟啟動操作，以減少浪涌電流。最小所需軟啟動電容可根據公式(C{SS} geq 33 × 10^{-6} × C{OUT - SEL} × V{OUT})計算，軟啟動時間(t{SS})與連接在SS引腳的電容(C{SS})的關系為(t{SS}=frac{C_{SS}}{8.33 × 10^{-6}})。例如，要設置1ms的軟啟動時間，應連接一個8.2nF的電容。MAX17795的最小可編程軟啟動時間為1ms，在啟動過程中，設備在輸出電壓達到設定輸出標稱電壓的95%之前以可變開關頻率運行。

5. 設置輸入欠壓鎖定電平

MAX17795的輸入欠壓鎖定電平可通過連接在(V{IN})和SGND之間的電阻分壓器來設置，將分壓器的中心節點連接到EN/UVLO引腳。建議選擇(R{UVL - TOP})為3.3MΩ，然后根據公式(R{UVL - BOTTOM}=frac{R{UVL - TOP} × V{ENR}}{V{INU}-V{ENR}})計算(R{UVL - BOTTOM})，其中(V{INU})是設備需要開啟的電壓。為避免在緩慢上電（慢于軟啟動）或斷電時出現打嗝現象，建議(V{INU})高于0.8 x (V_{OUT})。如果EN/UVLO引腳由外部信號源驅動，建議在信號源輸出引腳和EN/UVLO引腳之間放置一個至少1kΩ的串聯電阻，以減少線路上的電壓振鈴。

6. 調整輸出電壓

可通過連接在輸出電壓節點（(V{OUT})）和SGND之間的電阻分壓器來設置輸出電壓，將分壓器的中心節點連接到FB引腳。首先根據公式(R{FB - TOP}=frac{280}{f{C} × C{OUT - SEL}})計算從輸出到FB引腳的電阻(R{FB - TOP})，然后根據公式(R{FB - BOT}=frac{R{FB - TOP} × 0.6}{V{OUT}-0.6})計算連接在FB引腳和SGND之間的電阻(R{FB - BOT})。當器件用于SFM模式或應用中使用動態模式切換時，需要在(R{FB - TOP})兩端添加一個電容(C{FF})，電容值可根據公式(frac{550}{R{FB - TOP}}{FF}{FB - TOP}})計算，且(C_{FF})應能承受輸出電壓。

7. 功耗計算

在特定工作條件下，導致器件溫度升高的功率損耗可通過公式(P{Loss}=P{OUT} ×(frac{1}{eta}-1)-(I{OUT}^{2} × R{DCR}))計算，其中(P{OUT}=V{OUT} × I{OUT})，(P{OUT})是輸出功率，(eta)是轉換器的效率，(R{DCR})是電感的直流電阻。在不使用芯片溫度監測（RESET/TJ）功能時，可根據公式(T{J}=T{AMB}+(theta{JA} × P{Loss}))估算器件在任何給定最大環境溫度（(T{AMB})）下的結溫。需要注意的是，結溫超過 + 125°C會降低器件的使用壽命。

8. PCB布局指南

PCB布局對于MAX17795的性能至關重要。所有承載脈沖電流的走線應盡可能短且寬，以降低走線電感，因為電流的高di/dt特性要求電感必須保持在最低水平。同時，減小電流環路面積可降低輻射EMI。在布線時，信號接地（SGND）和用于開關電流的電源接地（PGND）應分開。此外，PCB布局還會影響設計的熱性能。具體布局建議如下：

• 輸入電容應盡可能靠近IN和PGND引腳。
• INTVCC電容應靠近INTVCC引腳，并將另一端連接到SGND平面。
• BST電容應靠近BST和LX引腳。
• 電感應盡可能靠近LX引腳，盡量減小LX引腳到電感的走線長度和面積。
• 輸出電容應盡可能靠近電感的非開關側。
• 輸入電容和輸出電容的PGND端子應盡可能靠近PGND引腳，并連接到PGND平面。
• RT電阻、SS電容和FB電阻應盡可能靠近各自的引腳，并將另一端連接到SGND平面。
• 所有電源和負載連接應盡量短，以保持電感在最低水平。
• PGND和SGND節點應在開關活動最小的點連接，即INTVCC旁路電容的負端。
• 在IN、PGND和LX引腳下方應提供多個連接到大面積平面的熱過孔，以實現高效散熱。

五、典型應用電路

文檔中給出了多個典型應用電路，包括5V輸出（400kHz和1.5MHz開關頻率）、3.3V輸出（375kHz開關頻率）和12V輸出（400kHz開關頻率）等不同情況，為工程師提供了實際設計的參考。

綜上所述，MAX17795是一款功能強大、性能優異的同步降壓DC - DC轉換器，適用于工業、航空電子、重型設備、工廠和樓宇自動化、電機控制以及通用電源等多種應用場景。在設計過程中，工程師們需要根據具體的應用需求，合理選擇外部元件，并遵循PCB布局指南，以充分發揮MAX17795的性能優勢，實現高效、穩定的電源設計。大家在使用MAX17795進行設計時，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評論區分享交流。