MAX17112：高性能升壓型DC - DC轉換器的設計與應用

在電子設備的電源管理領域，高性能的DC - DC轉換器至關重要。今天我們要深入探討的是MAXIM公司的MAX17112，一款專為有源矩陣薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器（LCD）提供穩(wěn)壓電源的高性能升壓型DC - DC轉換器。

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一、產品概述

MAX17112采用電流模式、固定頻率（1MHz）的脈沖寬度調制（PWM）電路，內置n溝道功率MOSFET，具備高效率和快速瞬態(tài)響應的特點。其輸入過壓保護（OVP）功能可防止高達24V的輸入浪涌電壓對芯片造成損壞。高開關頻率允許使用超小型電感和低ESR陶瓷電容，電流模式架構則能對脈沖負載實現快速瞬態(tài)響應。補償引腳（COMP）為用戶調整環(huán)路動態(tài)提供了靈活性，內部MOSFET可在2.6V至5.5V的輸入電壓下產生高達20V的輸出電壓。此外，軟啟動功能可通過外部電容編程，緩慢提升輸入電流。該芯片采用10引腳TDFN封裝。

二、產品特性與應用

特性

1. 輸入過壓保護：有效抵御輸入浪涌電壓，保護芯片安全。
2. 可調輸出電壓：輸出電壓可在VIN至20V之間調節(jié)，滿足不同應用需求。
3. 寬輸入電源范圍：2.6V至5.5V的輸入電源范圍，適用性廣泛。
4. 輸入電源欠壓鎖定：確保輸入電壓足夠高時芯片才能可靠運行。
5. 固定開關頻率：1MHz的固定開關頻率，便于電路設計和優(yōu)化。
6. 可編程軟啟動：通過外部電容實現軟啟動功能，減少浪涌電流。
7. 小封裝尺寸：10引腳TDFN封裝，節(jié)省電路板空間。
8. 熱過載保護：防止芯片因過熱而損壞。

應用

主要應用于筆記本電腦顯示器和LCD監(jiān)視器面板等領域。

三、電氣特性

絕對最大額定值

包括輸入電壓、電流、功率耗散、溫度等參數的極限值，超出這些范圍可能會對芯片造成永久性損壞。例如，LX引腳到地的電壓范圍為 - 0.3V至 + 24V，連續(xù)功率耗散在TA = + 70°C時為951mW（高于 + 70°C時以24.4mW/°C的速率降額）等。

電氣參數

在不同溫度和輸入條件下，芯片的各項電氣參數有明確的規(guī)定。如輸出電壓范圍、輸出開關電阻、VL欠壓鎖定閾值、靜態(tài)電流、誤差放大器參數、振蕩器頻率和最大占空比等。這些參數為電路設計提供了重要的參考依據。

四、典型工作特性

通過一系列圖表展示了芯片在不同輸入電壓、輸出電壓和負載電流下的效率、負載調節(jié)、開關頻率、軟啟動、電源電流、負載瞬態(tài)響應和開關波形等特性。例如，在VIN = 3.3V、VOUT = 9V的條件下，效率隨負載電流的變化曲線；在VOUT = 15V時，負載調節(jié)率與負載電流的關系等。這些特性曲線有助于工程師了解芯片在實際應用中的性能表現，從而進行合理的電路設計和優(yōu)化。

五、引腳描述

詳細介紹了各個引腳的功能和使用方法。例如，COMP引腳是誤差放大器的補償引腳，需連接一個串聯的RC網絡到地；FB引腳用于反饋電壓；LX引腳是內部MOSFET的漏極；IN引腳是電源電壓輸入，需使用至少1μF的陶瓷電容直接旁路到地；SHDN引腳是關斷控制輸入，高電平使能芯片；SS引腳是軟啟動控制，可連接軟啟動電容等。

六、詳細工作原理

整體架構

MAX17112采用電流模式、固定頻率的PWM架構，實現快速瞬態(tài)響應和低噪聲運行。誤差放大器將FB引腳的信號與1.24V進行比較，調整COMP輸出電壓，從而確定內部MOSFET每次導通時的電流跳閘點。為了在高占空比下保持穩(wěn)定性，會將斜率補償信號與電流檢測信號相加。在輕負載時，芯片可以跳過一些周期，防止輸出電容過充。

輸出電流能力

輸出電流能力取決于電流限制、輸入電壓、工作頻率和電感值。由于使用了斜率補償來穩(wěn)定反饋環(huán)路，電感電流限制與占空比有關。通過特定的公式可以計算出電流限制和輸出電流能力。

軟啟動

通過外部電容可對軟啟動功能進行編程。當關斷引腳SHDN置高時，軟啟動電容（CSS）立即充電至0.4V，然后以4μA的恒定電流充電。在軟啟動過程中，SS電壓直接控制電感峰值電流周期，當VSS = 1.5V時，達到全電流限制，軟啟動完成后可提供最大負載電流。當SHDN置低時，SS引腳放電至地。

過壓保護（OVP）

芯片集成了OVP電路，當IN引腳電壓低于6.6V（典型值）時，IN和VL之間的內部開關導通；當IN引腳電壓超過6.6V（典型值）時，開關斷開，從而保護芯片免受過高輸入電壓的損壞。

欠壓鎖定（UVLO）

UVLO電路將VL引腳的電壓與2.45V（典型值）進行比較，確保輸入電壓足夠高以實現可靠運行。50mV（典型值）的遲滯可防止電源瞬變導致芯片重啟。當VL電壓超過UVLO上升閾值時，啟動過程開始；當輸入電壓低于UVLO下降閾值時，主升壓調節(jié)器關閉。

啟動方式

可通過在SHDN引腳施加高電壓來使能芯片，有兩種方式實現：一是將SHDN引腳連接到外部電容，內部5μA電流源對電容充電，當電壓超過1.24V時，芯片啟動；二是直接向SHDN引腳施加邏輯高電平信號，但需在邏輯信號和SHDN引腳之間插入一個10kΩ的電阻進行保護。

七、外部元件選擇

電感選擇

選擇電感時需要考慮最小電感值、峰值電流額定值和串聯電阻等因素，這些因素會影響轉換器的效率、最大輸出負載能力、瞬態(tài)響應時間和輸出電壓紋波。同時，物理尺寸和成本也是重要的考慮因素。通過特定的公式可以計算出近似的電感值，并根據計算結果選擇合適的電感。此外，還需要計算最大直流輸入電流、紋波電流和峰值電流，確保電感的飽和電流額定值和MAX17112的LX電流限制（ILIM）超過峰值電流，電感的直流電流額定值超過最大直流輸入電流。

輸出電容選擇

總輸出電壓紋波由電容紋波和歐姆紋波組成，電容紋波是由輸出電容的充放電引起的，歐姆紋波是由電容的等效串聯電阻（ESR）引起的。選擇輸出電容時需要考慮電壓額定值和溫度特性，對于陶瓷電容，輸出電壓紋波通常由電容紋波主導。

輸入電容選擇

輸入電容（CIN）可減少從輸入電源汲取的電流峰值，并減少對芯片的噪聲注入。在實際應用中，由于升壓調節(jié)器通常直接從另一個穩(wěn)壓電源的輸出運行，實際的源阻抗通常較低，因此CIN的值可以適當減小。同時，需要確保IN引腳有低噪聲電源供應，可通過使用足夠的CIN或采用RC低通濾波器來實現。

整流二極管選擇

由于MAX17112的高開關頻率，需要使用高速整流二極管。肖特基二極管因其快速恢復時間和低正向電壓而被推薦用于大多數應用。二極管的額定值應能夠承受輸出電壓和峰值開關電流，確保其峰值電流額定值至少為電感選擇部分計算出的IPEAK，并且其擊穿電壓超過輸出電壓。

輸出電壓選擇

MAX17112的輸出電壓可在VIN至20V之間調節(jié)，通過連接一個電阻分壓器從輸出（VMAIN）到地，并將中心抽頭連接到FB引腳來實現。選擇R3的阻值在10kΩ至50kΩ之間，通過特定的公式計算R4的值。

環(huán)路補償

選擇RCOMP來設置高頻積分器增益，以實現快速瞬態(tài)響應；選擇CCOMP來設置積分器零點，以保持環(huán)路穩(wěn)定性。對于低ESR輸出電容，可使用特定的公式來獲得穩(wěn)定的性能和良好的瞬態(tài)響應。為了進一步優(yōu)化瞬態(tài)響應，可以在觀察瞬態(tài)響應波形的同時，以20%的步長調整RCOMP，以50%的步長調整CCOMP。

軟啟動電容

軟啟動電容應足夠大，以確保在輸出達到穩(wěn)定之前不會達到最終值。通過特定的公式可以計算出CSS的值，負載需要等待軟啟動周期結束后才能開始汲取大量負載電流。軟啟動持續(xù)時間由CSS的值決定。

八、PCB布局和接地

PCB布局對于芯片的正常運行至關重要。以下是一些PCB布局的指導原則：

1. 最小化高電流環(huán)路面積：將電感、輸出二極管和輸出電容靠近輸入電容以及LX和GND引腳放置，使用短而寬的連接，避免在高電流路徑中使用過孔。如果無法避免使用過孔，應使用多個過孔并聯以降低電阻和電感。
2. 創(chuàng)建接地島：創(chuàng)建一個由輸入和輸出電容接地以及GND引腳組成的功率接地島（PGND），使用短而寬的走線或小接地平面將它們連接在一起。同時，創(chuàng)建一個由反饋分壓器接地連接、COMP和SS電容接地連接以及芯片暴露的背面焊盤組成的模擬接地平面（AGND），通過將GND引腳直接連接到暴露的背面焊盤來連接AGND和PGND島，避免在這兩個單獨的接地平面之間進行其他連接。
3. 靠近反饋引腳放置電阻：將反饋電壓分壓器電阻盡可能靠近反饋引腳放置，保持分壓器的中心走線短，避免反饋走線靠近LX或電荷泵中的開關節(jié)點。
4. 靠近芯片放置旁路電容：將IN和VL引腳的旁路電容盡可能靠近芯片放置，將它們的接地連接直接通過寬走線連接到AGND。
5. 優(yōu)化輸出電容與負載之間的走線：最小化輸出電容與負載之間的走線長度，并最大化走線寬度，以獲得最佳的瞬態(tài)響應。
6. 處理LX節(jié)點：最小化LX節(jié)點的尺寸，同時保持其寬而短，避免LX節(jié)點靠近反饋節(jié)點和模擬接地。如有必要，可使用直流走線作為屏蔽。

九、總結

MAX17112是一款性能出色的升壓型DC - DC轉換器，具有多種優(yōu)秀特性和功能。在設計使用該芯片的電路時，需要綜合考慮各個方面的因素，包括電氣特性、外部元件選擇、PCB布局和接地等。通過合理的設計和優(yōu)化，可以充分發(fā)揮MAX17112的性能優(yōu)勢，為電子設備提供穩(wěn)定可靠的電源供應。希望本文能為電子工程師在使用MAX17112進行電路設計時提供有價值的參考。你在使用類似芯片進行設計時，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗和見解。