MAX38802/MAX38803：集成式降壓開關穩壓器的卓越之選

在電子設計領域，電源管理是一個至關重要的環節。今天，我們要深入探討的是 Maxim 推出的 MAX38802/MAX38803 集成式降壓開關穩壓器，它為眾多應用提供了高效、靈活且可靠的電源解決方案。

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一、產品概述

MAX38802/MAX38803 是完全集成的高效開關穩壓器，適用于輸入電源為 6.5V 至 14V、最大負載高達 25A 的應用。這兩款單芯片穩壓器為需要快速瞬態響應的精密輸出提供了緊湊、高效的電源傳輸解決方案。它們具有不同的可編程選項，包括內部/外部參考電壓、輸出電壓設定點、開關頻率、過流保護水平（OCP）和軟啟動時序等，還可通過引腳綁定啟用不連續電流模式（DCM）以提高輕載效率。

1.1 應用領域

• 服務器/微服務器：為 I/O 和芯片組供電。
• GPU 核心供電：滿足高性能圖形處理單元的電源需求。
• DDR 內存：為 VDDQ、VPP 和 VTT 負載點（PoL）應用提供穩定電源。

1.2 產品特性與優勢

• 高效解決方案：峰值效率高達 97%，滿載效率高達 87%，啟用 DCM 時 1A 輕載效率高達 96%。
• 靈活設計：引腳兼容 MAX38800（9A）和 MAX38801（15A），可編程開關頻率高達 1MHz，可編程軟啟動和 STAT 延遲時序，可編程參考電壓并支持外部輸入選項，可編程正、負 OCP 限制。
• 先進架構、保護與報告：模擬電流或溫度報告，差分遠程感測并具備開路檢測功能，采用 Quick - PWM? 架構實現快速瞬態響應，基于百分比的輸出電源良好和過壓保護（OVP），開漏狀態指示（STAT）引腳，輸入欠壓和過壓鎖定，自適應死區時間控制。
• 節省電路板空間：集成升壓開關，采用 27 凸點（2.2mm x 3.8mm）WLCSP 封裝，可使用陶瓷輸入和輸出電容器。

二、電氣特性

2.1 電源電壓與電流

• 12V 電源電壓范圍：6.5V 至 14V。
• 1.8V 電源電壓范圍：1.71V 至 1.89V。
• VCC 電源電流：CCM 模式下最大 35mA，DCM 模式下 25mA，關斷模式下 32μA 至 132μA。

2.2 參考電壓

可編程參考電壓為 0.6V 或 0.95V，VREF 容差在 35°C 時為 - 0.5% 至 + 0.5%，VREF 容差溫度系數在 0°C 至 100°C 時為 0.0106%/°C。

2.3 反饋環路與開關頻率

• RSENSE 增益：有 1.4mV/A、2.8mV/A 和 5.4mV/A 可選。
• 開關頻率精度：相對于標稱值在 - 20% 至 + 20% 范圍內。
• 低開關頻率閾值（DCM 啟用）：30kHz。
• 強制最小開關頻率（DCM 啟用）：60kHz。

2.4 輸入保護

• VDDH 欠壓鎖定（UVLO）閾值：上升閾值為 5.8V 至 6.5V，下降閾值為 5.1V 至 5.9V，滯回為 650mV。
• VDDH 過壓鎖定（OVLO）閾值：上升閾值為 14.3V 至 15.3V，下降閾值為 13.8V 至 14.8V，滯回為 470mV。
• VCC 和 BST 的 UVLO 閾值及滯回：也有相應規定。

2.5 輸出電壓保護（OVP）

過壓保護上升閾值相對于編程輸出電壓為 9.5% 至 16.5%，過壓保護消抖濾波時間為 25μs 至 36μs，電源良好保護下降閾值為 4.5% 至 12%，上升閾值為 3% 至 9%，電源良好消抖濾波時間為 25μs 至 36μs。

2.6 過流保護（OCP）

正、負過流保護閾值有多個可選值，過流保護閾值容差為 - 20% 至 20%，正電流 OCP 滯回為 12% 至 18%，負電流 OCP 滯回為 0。

2.7 過溫保護（OTP）

過溫保護啟動閾值為 130°C 至 150°C，滯回為 - 30°C 至 - 10°C。

2.8 溫度與電流報告

溫度報告范圍為 0°C 至 125°C，溫度報告容差為 - 4°C 至 4°C；電流報告范圍為 0A 至 25A，電流報告容差在空載至滿載時為 - 2A 至 2A，滿載時為 - 8% 至 8%。

三、典型工作特性

3.1 輸出電流與環境溫度關系

通過多組曲線展示了不同輸出電壓（如 0.8V、1.2V、1.8V、5.0V 等）下，輸出電流隨環境溫度的變化情況，同時考慮了不同的風量（0LFM、200LFM、400LFM）和是否使用散熱片的情況。這有助于工程師在不同的應用場景下評估穩壓器的性能。

3.2 安全工作區（SOA）

給出了不同條件下（如不同風量、是否使用散熱片）的安全工作區曲線，直觀地展示了穩壓器在不同環境溫度和輸出電流下的安全工作范圍，為設計人員提供了重要的參考依據。

3.3 效率與負載電流關系

展示了不同輸出電壓下，效率隨負載電流的變化曲線，包括 DCM 啟用和禁用兩種情況。這有助于工程師根據實際負載需求選擇合適的工作模式，以提高電源效率。

3.4 功率損耗與負載電流關系

同樣給出了不同輸出電壓下，功率損耗隨負載電流的變化曲線，幫助工程師評估穩壓器在不同負載下的功耗情況。

3.5 啟動與關斷特性

通過波形圖展示了在不同條件下（如 OE 信號、VDDH、VCC 等）的啟動和關斷過程，包括輸出電壓、STAT 信號、VX 信號等的變化情況，方便工程師了解穩壓器的動態響應特性。

3.6 負載瞬態響應

展示了在 CCM 和 DCM 模式下的負載瞬態響應波形，包括負載階躍和卸載時的輸出電壓、電感電流等的變化情況，體現了穩壓器在快速負載變化時的響應能力。

3.7 過流保護特性

通過波形圖展示了正、負過流保護時的輸出電壓、STAT 信號和電感電流的變化情況，確保了穩壓器在過流情況下的安全運行。

四、引腳配置與描述

4.1 引腳配置

MAX38802/MAX38803 采用 27 凸點 WLCSP 封裝，引腳布局經過精心設計，以滿足不同的功能需求。

4.2 引腳描述

• SENSE -：負遠程感測/外部參考輸入，可連接到負載地或外部參考電壓。
• AGND：模擬/信號地，需連接到接地平面。
• STAT：開漏狀態輸出，低電平表示故障或輸出欠壓、過壓事件。
• PGM：編程輸入/遙測輸出，通過連接編程電阻和電容來確定穩壓器的設置。
• SENSE +：正遠程感測輸入，連接到負載的 VOUT。
• OE：輸出使能輸入，通過 20kΩ 電阻連接到使能信號，可清除故障保護鎖存。
• VCC：電源電壓輸入，為穩壓器的模擬、數字和柵極驅動電路供電，需用 1μF 或更大的陶瓷電容旁路到電源地。
• VDDH：電源輸入電壓，需連接到輸入電源，附近需放置高頻陶瓷去耦電容。
• BST：自舉電源輸入，需在 BST 和 VX 之間連接 0.47μF 陶瓷電容。
• VX：開關節點，連接到功率電感的開關節點。
• GND：功率地，連接到輸出負載的返回路徑。

五、控制架構與工作原理

5.1 控制架構

MAX38802/MAX38803 采用 Maxim 專有的 Quick - PWM 脈沖寬度調制器，是一種偽固定頻率、恒定導通時間、電流模式穩壓器，具有電壓前饋功能。這種架構專門設計用于處理快速負載階躍，同時在寬輸入電壓范圍內保持相對恒定的工作頻率和電感工作點，避免了傳統固定頻率電流模式 PWM 的負載瞬態計時問題和傳統恒定導通時間脈沖頻率調制控制方案中開關頻率變化過大的問題。

5.2 控制算法

高側開關導通時間由一個單穩態觸發器決定，其脈沖寬度與輸入電壓成反比，與輸出電壓成正比。另一個單穩態觸發器設置最小關斷時間為 100ns（典型值）。在正常工作條件下，當反饋電壓和谷值電流感測信號之和低于控制電壓，且最小關斷時間單穩態觸發器超時后，導通時間單穩態觸發器被觸發，tON 脈沖寬度最大限制為 2.5μs。

5.3 電壓調節器啟用與啟動順序

當 OE 引腳上升到 VOE(H) 閾值以上時，控制電路等待 300μs 的 tEN 時間，讓偏置電路、模擬模塊和其他電路穩定到合適狀態后開始調節。OE 引腳電壓額定值為 1.8V，對于高于 1.8V 的控制信號，需使用電阻分壓器網絡驅動 OE 引腳。當 VCC 低于 UVLO 時，OE 引腳阻抗降低，需使用電阻限制電流。當系統將 OE 拉低時，穩壓器進入低功耗關斷模式，STAT 立即拉低，電感放電，功率 FET 進入高阻抗狀態。

5.4 軟啟動控制

當 OE 達到閾值且 tEN 時間過去后，穩壓器進行自舉電容充電序列。自舉電容充滿電后，內部參考電壓以適當的軟啟動時間（tSS）斜坡上升到目標電壓。軟啟動時間和目標電壓均可編程。如果輸出電壓已預偏置，參考電壓需上升到 SENSE + 節點電壓以上才開始調節。在 tSS 結束時，如果 SENSE + 引腳電壓仍高于內部參考，將強制連續導通模式（CCM）一段時間（tSETTLE）以將輸出放電到期望電壓，之后如果選擇了不連續導通模式（DCM），則允許進入 DCM 模式，OVP/UVP 電路也將激活。

5.5 遠程輸出電壓感測

通過使用 SENSE - 節點作為內部電壓參考 VREF 的參考，實現遠程輸出電壓感測，可提高負載處的輸出電壓調節精度，減少負載與穩壓器之間平面阻抗引起的電壓降誤差。

5.6 開關操作模式

支持 CCM 和 DCM 兩種模式，可通過編程選擇。如果啟用 DCM，在輕載時穩壓器將無縫過渡到 DCM 模式以提高效率。當負載使得在約 33μs 內未產生 tON 脈沖時，低側 FET 導通，直到誤差比較器換向并發出 tON 脈沖。進入最小頻率模式后，IC 以 60kHz 的最小開關頻率運行，以提供適當的滯回并防止 IC 在該模式內外頻繁切換。

六、保護與狀態特性

6.1 輸出電壓保護（OVP）

持續監測 SENSE + 引腳的欠壓和過壓情況。如果輸出電壓低于 PWRGD 閾值（編程輸出電壓的 9%）超過 30μs（典型值），STAT 引腳拉低，穩壓器繼續嘗試維持調節；如果輸出電壓高于過壓保護閾值（編程輸出電壓的 13%）超過 30μs（典型值），STAT 引腳拉低，穩壓器鎖存關閉（高側和低側 FET 關閉），需切換 OE 或循環 VCC 電源來清除故障。

6.2 電流限制

通過選擇合適的 R_SEL 值可對電流限制進行編程。過流保護（OCP）逐周期監測和限制低側 FET 電流。當低側開關電流的最小瞬時“谷值”超過 OCP（源）水平時，IC 延遲下一個導通時間脈沖，直到電流降至閾值以下。在正電流限制事件中，輸出電壓下降，若達到 PWRGD 閾值，STAT 引腳拉低。此外，還有負 OCP 限制，當達到該閾值時，IC 發出導通時間脈沖限制負電流，但可能導致過壓保護事件。

6.3 UVLO 和 OVLO 保護

穩壓器通過欠壓鎖定（UVLO）和過壓鎖定（OVLO）電路監測 VDDH、BST 和 VCC 電源。當任何電源電壓低于 UVLO 閾值或 VDDH 高于 OVLO 閾值時，穩壓器停止開關，STAT 引腳拉低。

6.4 過溫保護（OTP）

如果芯片溫度在運行過程中超過過溫閾值，穩壓器停止調節，STAT 引腳拉低。當芯片溫度降至新的過溫閾值（過溫閾值 - 滯回）以下時，調節重新開始，當輸出電壓達到預期值時，STAT 引腳最終再次變高。

6.5 穩壓器狀態

STAT 信號提供開漏輸出（最大 4V），用于指示穩壓器是否正常工作，需要外部上拉電阻。啟動斜坡完成（tSTAT）后，如果輸出電壓在 PWRGD/OVP 調節窗口內，STAT 引腳變為高阻抗。當出現 OE 為低、VDDH 或 VCC 不在規定范圍內、PWRGD 故障、SENSE - 或 SENSE + 引腳未連接、芯片溫度超過最大允許溫度、OVP 電路檢測到輸出電壓超出容差限制、自舉電源（BST - VX）檢測到 UVLO 等情況時，STAT 引腳拉低。

6.6 電流/溫度報告

在調節過程中，PGM 引腳產生模擬電壓，可表示平均輸出電流或芯片溫度。PGM 引腳輸出電壓范圍為 0.5V 至 1V，可驅動 R_SEL/C_SEL 網絡和額外的 20pF 外部負載，方便連接到外部電路，如電壓緩沖器或 ADC。通過特定的轉換方程可將 PGM 引腳電壓轉換為溫度或電流值。

七、編程選項

MAX38802/MAX38803 允許對多個關鍵參數進行編程，以優化特定應用。可編程參數包括參考電壓（VREF）、軟啟動時間、OCP 啟動值、操作模式、報告參數、RSENSE 增益、開關頻率（fsw）和 tSTAT 時間延遲等。通過連接到編程引腳的電阻和電容選擇一組參數，不同的電阻和電容值對應不同的參數設置，具體可參考表 3a 和 3b。C_SEL 用于選擇 fSW 設置，有六個選項可供選擇，實際的 fSW 值還與 VOUT 有關，可參考圖 4 選擇合適的 fSW 設置。

八、輸出電壓設置

輸出電壓通過選擇參考電壓并使用適當的電阻分壓器來設置。參考電壓可通過 R_SEL 選擇，可為內部或外部參考。為提高直流輸出電壓精度，應選擇合適的 VREF 值，如 0.6V 適用于 0.6V ≤ VOUT < 0.95V，0.95V 適用于 0.95V ≤ VOUT < 5.5V。為優化誤差放大器的共模抑制，應選擇使電阻分壓器并聯電阻盡可能接近 2kΩ 的電阻值。電阻選擇會影響輸出電壓精度，需考慮電阻公差和溫度系數的影響。此外，還可通過改變有效反饋分壓器比率實現電壓裕度調節，但需注意避免觸發 OVP 或 UVP 故障。

九、控制環路

MAX38802/MAX38803 使用 Quick PWM 架構，將電流感測信號添加到反饋中。在沒有額外補償的情況下，電壓環路增益由 IC 的電流模式控制方案的有效跨導增益、輸出電容器的阻抗增益和反饋分壓器的衰減組成。為保證穩定性，COUT 應選擇使帶寬（BW）小于 fSW/3。可使用超前、滯后和斜坡注入等補償方案來減小 COUT，但這些補償會影響系統的瞬態性能，需在設計分析中考慮。此外，IC 內部的積分器可改善負載調節，不影響環路 BW。

十、元件選擇

10.1 電感選擇

電感值根據開關