汽車級降壓 - 升壓轉換器MAX20039/MAX20040的全面解析

在汽車電子領域，電源管理是一個至關重要的環節。今天，我們就來深入探討Analog Devices推出的兩款優秀的降壓 - 升壓轉換器：MAX20039和MAX20040。

文件下載：MAX20039.pdf

一、產品概述

MAX20039/MAX20040是一系列小型、同步降壓 - 升壓轉換器，集成了高端和低端開關。其中，MAX20040能夠在2V至36V的輸入電壓范圍內提供高達1.2A的輸出電流，且在無負載時僅消耗52μA的靜態電流。這兩款轉換器提供±2%的精確輸出電壓，通過觀察PGOOD信號可以監控電壓質量。

它們具有固定的5V輸出電壓，同時也支持4.0V至15V的可編程輸出范圍。開關頻率可在220kHz至2.2MHz之間調節，這使得外部組件可以更小，輸出紋波降低，并且能保證無AM干擾。此外，MAX20040B和MAX20040D版本還提供低靜態電流（52μA）的跳過模式。這兩款轉換器采用了小型的4mm x 4mm、20引腳、可側焊TQFN封裝，并且使用的外部組件非常少。

二、應用場景

這兩款轉換器適用于多種汽車應用場景，包括：

1. 信息娛樂系統：為汽車的多媒體設備提供穩定的電源。
2. 車身電子：如車燈、門鎖等系統的電源供應。
3. 啟停系統：在發動機啟停過程中，確保電源的穩定輸出。
4. 負載點（PoL）電源：為特定的負載提供精確的電源。
5. 同軸供電（PoC）：滿足相關設備的供電需求。

三、產品優勢與特性

1. 滿足嚴格的汽車質量和可靠性要求

• 寬輸入電壓范圍：2V至36V的工作電壓允許在冷啟動條件下正常工作，并且能夠承受高達40V的輸入瞬態電壓。
• 高兼容性：EN引腳兼容3.3V至40V的電壓。
• 大輸出電流：MAX20039最大輸出電流為0.6A，MAX20040最大輸出電流為1.2A。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，符合AEC - Q100標準。
• 集成FET H橋架構：提高了效率，降低了物料清單（BOM）成本和電路板空間。
• 固定輸出電壓：提供穩定的輸出電壓。
• 20引腳SWTQFN封裝：體積小巧，便于安裝。

2. 低靜態電流

B和D版本在待機模式下靜態電流為52μA，關機模式下最大靜態電流為10μA，有助于設計師滿足嚴格的OEM電流要求。

3. 高開關頻率

• 寬頻率范圍：200kHz至2.2MHz的工作頻率允許使用小型外部組件。
• 跳過模式：B和D版本支持跳過模式，實現高效的低功耗運行。
• 固定頻率PWM模式：保證輸出的穩定性。
• 外部頻率同步：可與外部時鐘同步，減少EMI輻射。
• 可啟用或禁用擴頻：進一步降低開關頻率下的EMI輻射。

四、電氣特性

1. 絕對最大額定值

各項引腳的電壓范圍都有明確的規定，例如IN引腳的電壓范圍為 - 0.3V至 + 40V，EN、LX1引腳的電壓范圍為 - 0.3V至VIN + 0.3V等。同時，還給出了連續功率耗散、工作溫度范圍、結溫、存儲溫度范圍、焊接溫度等參數。

2. 推薦工作條件

環境溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C。

3. 電氣參數

包括輸入電壓范圍、關機電源電流、待機電源電流、欠壓鎖定、輸出電壓壓降、短路電流限制、固定輸出電壓、輸出電壓可調范圍、軟啟動斜坡時間、自動重試時間、最小導通時間、最小關斷時間、死區時間、開關導通電阻、漏電流、電流感測、誤差放大器、開關頻率、輸出監控、PGOOD閾值、邏輯輸入、熱關斷等參數。

五、典型工作特性

文檔中給出了多個典型工作特性圖，包括待機靜態電流與電源電壓的關系、關機電流與輸入電壓的關系、最大負載電流與輸入電壓的關系、線路調節、負載調節、效率與負載電流的關系、效率與輸入電壓的關系、擴頻分析、負載階躍響應等。這些特性圖可以幫助工程師更好地了解轉換器在不同條件下的性能。

六、引腳配置與功能

1. 引腳配置

MAX20039/MAX20040采用20引腳SWTQFN封裝，每個引腳都有特定的功能。例如，PGND2是升壓低端集成FET的接地參考；LX1是IN到PGND的開關節點；BST1是LX1節點高端驅動器的自舉電容引腳等。

2. 引腳功能

• 線性調節器輸出（VCC）：為內部電路塊提供4.6V的電源，需要連接一個2.2μF的陶瓷電容到AGND。
• 寬輸入電壓范圍：IN引腳的輸入電壓范圍為3.5V至36V，啟動條件滿足后可在2V至36V范圍內工作。
• 同步輸入（FSYNC）：用于操作模式選擇和頻率控制，連接到BIAS或外部時鐘可實現固定頻率、強制PWM操作，連接到AGND可啟用跳過模式。
• 電源良好輸出（PGOOD）：當VOUT高于其調節電壓的96%時，PGOOD置位；當VOUT低于其調節電壓的93%時，PGOOD復位。
• 擴頻選項：通過SPS引腳啟用擴頻，工作頻率會在fOSC中心上下變化±3%。
• 內部振蕩器（FSW）：通過連接到AGND的電阻（RFSW）設置開關頻率。
• 過溫保護：當結溫超過 + 166°C（典型值）時，內部熱傳感器會關閉內部偏置調節器和降壓轉換器，結溫下降18°C后重新開啟。
• 輕載操作：在輕載時，當FSYNC連接到AGND且轉換器處于降壓區域時，設備會跳過周期以保持高效率，進入PFM模式。
• 軟啟動：固定頻率輔助振蕩器確定軟啟動時間，所有輸出電壓和頻率的軟啟動時間典型值為7ms。
• 過壓保護：采用逐周期過壓保護，當輸出電壓高于調節值的108%（典型值）時，降壓高端開關和升壓低端開關關閉，直到輸出電壓低于調節值的105%（典型值）。
• 短路保護：持續監控DH1電流，若輸入電流連續16次達到峰值電流限制且輸出電壓低于調節值的60%，設備停止開關并進入打嗝模式，自動重試時間典型值為26ms。

七、應用信息

1. 電感選擇

電感的設計需要在轉換器的尺寸、效率、控制、帶寬和穩定性之間進行權衡。對于降壓 - 升壓應用，選擇合適的電感值尤為關鍵，因為在升壓和降壓 - 升壓模式中存在右半平面（RHP）零點。一般來說，電感電流紋波為最大電感電流的40%是速度和效率之間的良好折衷。

2. 輸入電容設計

輸入電容用于減少從電源汲取的峰值電流，降低電路開關引起的輸入噪聲和電壓紋波。在降壓模式下，輸入電容應能處理輸入RMS電流。

3. 輸出電容設計

計算“深度”升壓模式下的最壞情況最小輸出電容，輸出濾波電容的等效串聯電阻（ESR）要足夠低，以滿足輸出紋波和負載瞬態要求。

4. 輸出電壓設置

將FB連接到VCC可啟用預設的5V固定輸出電壓；要在4V至15V之間外部調節輸出電壓，需要連接一個電阻分壓器。

5. 誤差放大器補償設計

MAX20040使用內部跨導放大器，通過外部頻率補償來優化性能。設計外部補償需要一些迭代，以達到優化設計。

八、PCB布局指南

1. 散熱設計：在器件封裝下方使用大面積連續銅平面，確保所有散熱組件有足夠的散熱空間，將器件底部焊盤焊接到銅平面以實現有效散熱。
2. 信號隔離：將功率組件和高電流路徑與敏感的模擬電路隔離，防止噪聲耦合到模擬信號中。
3. 縮短高電流路徑：特別是在接地端子處，保持高電流路徑短，以實現穩定、無抖動的操作。
4. 縮短功率走線和負載連接：使用厚銅PCB提高滿載效率。
5. 避免干擾：將模擬信號線遠離高頻平面，確保反饋到器件的敏感信號的完整性。
6. 接地設計：模擬和功率部分的接地連接應靠近器件，保持接地電流回路最小。

九、訂購信息

文檔提供了詳細的訂購信息，包括不同型號的引腳封裝、輸出電壓可調范圍、開關頻率、輸入電壓范圍、默認輸出電壓、輸出電流、電流限制、工作模式等。

十、總結

MAX20039/MAX20040是兩款性能卓越的汽車級降壓 - 升壓轉換器，具有寬輸入電壓范圍、低靜態電流、高開關頻率、多種保護功能等優點。在實際應用中，工程師需要根據具體的需求選擇合適的型號，并按照PCB布局指南進行設計，以確保轉換器的性能和穩定性。同時，對于電感、電容等外部組件的選擇和設計也至關重要，需要仔細計算和優化。大家在使用過程中有沒有遇到過什么問題呢？歡迎在評論區分享交流。