MAX20048：汽車應(yīng)用中的高效H橋降壓-升壓控制器

在汽車電子領(lǐng)域，電源管理至關(guān)重要，而一款性能出色的降壓 - 升壓控制器能為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障。今天我們就來(lái)深入了解一下Analog Devices推出的MAX20048，這是一款專為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的40V、55μA IQ、2.2MHz H橋降壓 - 升壓控制器。

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一、器件概述

MAX20048是一款電流模式的降壓 - 升壓控制器，具有諸多出色特性。它能在4.5V至36V的輸入電壓下正常工作，且在無(wú)負(fù)載時(shí)僅消耗55μA的靜態(tài)電流。當(dāng)啟動(dòng)條件滿足后，其輸入電壓范圍可擴(kuò)展至2V至36V。開關(guān)頻率可通過(guò)電阻在220kHz至2.2MHz之間進(jìn)行編程，還能與外部時(shí)鐘同步。輸出電壓有5V固定輸出和4V至25V可調(diào)輸出兩種選擇。這種寬輸入電壓范圍以及在電池瞬變期間保持恒定輸出電壓的能力，使其非常適合汽車應(yīng)用。

二、關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

2.1 滿足汽車嚴(yán)格要求

• 寬電壓工作范圍：工作輸入電壓范圍為2V至36V，能適應(yīng)冷啟動(dòng)等極端條件。同時(shí)可耐受高達(dá)40V的輸入瞬變電壓，EN引腳兼容 +3.3V至 +40V的電壓，工作溫度范圍為 - 40°C至 +125°C，且通過(guò)了AEQ - 100認(rèn)證，充分滿足汽車應(yīng)用對(duì)質(zhì)量和可靠性的嚴(yán)格要求。
• 小尺寸高效解決方案：采用4mm x 4mm、24引腳的TQFN - EP SW封裝，在小尺寸下實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換。在輕負(fù)載應(yīng)用中，可通過(guò)邏輯輸入（FSYNC）選擇跳過(guò)模式以降低電流消耗，或選擇固定頻率、強(qiáng)制PWM模式以消除頻率變化并減少EMI。

2.2 低靜態(tài)電流

• 在待機(jī)模式下靜態(tài)電流僅為55μA，關(guān)機(jī)模式下最大靜態(tài)電流為10μA，有助于設(shè)計(jì)師滿足OEM對(duì)電流的嚴(yán)格要求。

2.3 EMI抑制

• 工作頻率范圍為220kHz至2.2MHz，支持固定頻率PWM模式、外部頻率同步或SYNC OUT功能（可通過(guò)OTP選項(xiàng)選擇），還能通過(guò)OTP選項(xiàng)啟用或禁用擴(kuò)頻功能，以滿足CISP25 Class 5的EMI要求。

三、電氣特性詳解

3.1 輸入輸出特性

• 輸入電壓范圍：正常工作時(shí)為4.5V至36V，啟動(dòng)條件滿足后可低至2V。
• 輸出電壓：固定輸出為5V（誤差在4.9V至5.1V之間），可調(diào)范圍為4V至25V。

3.2 電流與電壓特性

• 靜態(tài)電流：關(guān)機(jī)時(shí)最大為10μA，待機(jī)時(shí)典型值為55μA。
• 欠壓鎖定：輸入電壓上升時(shí)UVLO閾值為4.2V至4.45V，下降時(shí)為1.95V。
• VCC調(diào)節(jié)器：輸出電壓為5V，壓差典型值為0.1V，短路電流限制為100mA。

3.3 開關(guān)頻率與控制特性

• 開關(guān)頻率：可通過(guò)電阻編程，如RFSW = 12kΩ時(shí)為2.2MHz，RFSW = 73.2kΩ時(shí)為420kHz，范圍為0.220MHz至2.2MHz。
• 同步特性：FSYNC可與外部時(shí)鐘同步，最小同步脈沖寬度為100ns，可設(shè)置內(nèi)部時(shí)鐘頻率的80%至100%。

四、功能與工作模式

4.1 工作模式切換

• MAX20048根據(jù)輸入和輸出電壓自動(dòng)在降壓或升壓模式之間無(wú)縫切換，以保持恒定的輸出電壓。其采用峰值電流模式控制環(huán)路，通過(guò)外部電流檢測(cè)電阻感應(yīng)電感電流，并可通過(guò)外部電阻設(shè)置電流環(huán)路的斜率補(bǔ)償。

4.2 同步輸入（FSYNC）

• 該引腳用于操作模式選擇和頻率控制。連接到VCC或外部時(shí)鐘可啟用固定頻率、強(qiáng)制PWM操作；連接到AGND或浮空則啟用跳過(guò)模式。外部時(shí)鐘頻率可低于內(nèi)部時(shí)鐘20%，且設(shè)備能在兩個(gè)周期內(nèi)與外部時(shí)鐘同步。

4.3 輕負(fù)載操作

• 當(dāng)FSYNC連接到AGND且設(shè)備處于降壓區(qū)域時(shí)，在輕負(fù)載下會(huì)開始跳過(guò)周期以提高效率。檢測(cè)到電感電流連續(xù)16次過(guò)零后進(jìn)入PFM模式，此時(shí)電感電流峰值限制變?yōu)?0mV（典型值），并防止電感電流為負(fù)。

4.4 電源就緒輸出（PGOOD）

• 該引腳為開漏輸出，當(dāng)輸出電壓上升到其調(diào)節(jié)電壓的95%以上時(shí)置高，下降到92%以下時(shí)置低。使用時(shí)需連接一個(gè)10kΩ的上拉電阻到VCC。

4.5 軟啟動(dòng)

• 由固定頻率輔助振蕩器確定軟啟動(dòng)時(shí)間，所有輸出電壓和頻率的軟啟動(dòng)時(shí)間典型值為6.5ms。

4.6 擴(kuò)頻選項(xiàng)

• 可通過(guò)OTP選項(xiàng)啟用擴(kuò)頻功能，啟用后工作頻率將在FSW中心值 ±3%范圍內(nèi)變化，調(diào)制信號(hào)為三角波，周期根據(jù)工作頻率成比例變化。若設(shè)備與外部時(shí)鐘同步，則內(nèi)部擴(kuò)頻功能禁用。

五、保護(hù)特性

5.1 過(guò)壓保護(hù)

• 具備逐周期過(guò)壓保護(hù)功能，當(dāng)輸出電壓超過(guò)調(diào)節(jié)值的108%（典型值）時(shí)，降壓高端開關(guān)（Qt1）和升壓低端開關(guān)（Qb2）關(guān)閉，直到輸出電壓降至調(diào)節(jié)值的106%（典型值）以下。

5.2 短路保護(hù)

• 采用兩個(gè)獨(dú)立的電流檢測(cè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)快速可靠的短路保護(hù)。輸入側(cè)電流檢測(cè)電阻設(shè)置逐周期峰值電流限制，若輸入電流連續(xù)16次達(dá)到峰值電流限制且輸出電壓低于調(diào)節(jié)值的60%，設(shè)備停止切換并進(jìn)入打嗝模式，重試時(shí)間典型值為26ms。輸出側(cè)電流檢測(cè)電阻設(shè)置失控電流限制，若輸出電流達(dá)到該限制且輸出電壓低于調(diào)節(jié)值的60%，設(shè)備同樣進(jìn)入打嗝模式。

5.3 過(guò)溫保護(hù)

• 當(dāng)結(jié)溫超過(guò) +170°C（典型值）時(shí)，內(nèi)部熱傳感器關(guān)閉內(nèi)部偏置調(diào)節(jié)器和降壓轉(zhuǎn)換器，使IC冷卻。當(dāng)結(jié)溫下降20°C后，熱傳感器重新開啟IC。

六、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

6.1 電感選擇

• 電感設(shè)計(jì)需在轉(zhuǎn)換器的尺寸、效率、控制帶寬和穩(wěn)定性之間進(jìn)行權(quán)衡。對(duì)于降壓 - 升壓應(yīng)用，由于在升壓和降壓 - 升壓模式中存在右半平面（RHP）零點(diǎn)，選擇合適的電感值尤為關(guān)鍵。一般可根據(jù)降壓模式下電感電流紋波占最大電感電流的百分比來(lái)初步選擇電感值，通常30%的紋波是速度和效率的較好折衷。最終電感值需考慮兩個(gè)工作區(qū)域的紋波和RHP零點(diǎn)。選擇時(shí)要確保電感的飽和電流比峰值電感電流大約20%，且具有低DCR。

6.2 輸入輸出電容設(shè)計(jì)

• 輸入電容：主要作用是降低從電源汲取的峰值電流，減少電路開關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。在降壓模式下，輸入電流不連續(xù)且紋波最大，需根據(jù)RMS電流公式選擇能承受相應(yīng)電流的電容。陶瓷電容ESR極低，有助于降低輸入電壓的峰 - 峰紋波電壓；優(yōu)質(zhì)電解電容ESR低，能以低成本提供較高電容值。可結(jié)合使用兩者以達(dá)到目標(biāo)規(guī)格并降低成本。
• 輸出電容：根據(jù)輸出負(fù)載瞬態(tài)要求選擇，在負(fù)載突變時(shí)，輸出電容需提供負(fù)載所需電荷，以減少輸出電壓的下沖或上沖。通常在升壓模式下負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)最差，可根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算電容值，選擇合適的輸出電容。

6.3 輸出電壓設(shè)置

• 連接FB到VCC可啟用預(yù)設(shè)的5V固定輸出電壓，通過(guò)在FB和AGND之間連接一個(gè)由輸出電壓分壓的電阻網(wǎng)絡(luò)，可將輸出電壓在4V至25V之間進(jìn)行外部調(diào)整。

6.4 電流檢測(cè)電阻選擇

• MAX20048使用兩個(gè)外部電流檢測(cè)電阻實(shí)現(xiàn)電感電流控制和電流限制。輸入電流檢測(cè)電阻用于電流環(huán)路、設(shè)置峰值電流限制和PFM電流限制；輸出電流檢測(cè)電阻用于設(shè)置失控電流限制、過(guò)零閾值和跳過(guò)模式下的負(fù)電流閾值。根據(jù)應(yīng)用的最大輸入電流選擇輸入電流檢測(cè)電阻，確保峰值電流限制略高于計(jì)算得到的峰值輸入電流。同時(shí)，為保證安全裕度，將失控電流限制設(shè)置為高于峰值電流，由于MAX20048內(nèi)部將失控電流限制設(shè)置為比峰值電流限制高50%（即75mV），可在輸入和輸出使用相同的電流檢測(cè)電阻。

6.5 斜率補(bǔ)償

• 由于電流模式控制存在固有不穩(wěn)定性，通常需要外部斜率補(bǔ)償。MAX20048可通過(guò)在SLP引腳和AGND之間連接一個(gè)電阻來(lái)設(shè)置斜率補(bǔ)償。通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算電阻值，設(shè)計(jì)斜率補(bǔ)償時(shí)要降低電流模式控制在開關(guān)頻率一半處的雙極點(diǎn)品質(zhì)因數(shù)，以提高穩(wěn)定性和抗噪聲能力。

6.6 誤差放大器補(bǔ)償設(shè)計(jì)

• 采用內(nèi)部跨導(dǎo)放大器，其反相輸入和輸出端子可供用戶進(jìn)行外部頻率補(bǔ)償。控制器使用峰值電流模式控制架構(gòu)調(diào)節(jié)輸出電壓，將反饋環(huán)路中由電感和輸出電容引起的雙極點(diǎn)分裂為兩個(gè)單極點(diǎn)，使補(bǔ)償更簡(jiǎn)單，通常只需II型補(bǔ)償。在升壓模式下，功率級(jí)會(huì)引入額外的RHP零點(diǎn)，為避免其對(duì)轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響，設(shè)計(jì)補(bǔ)償時(shí)應(yīng)使帶寬約為最壞情況下RHP零點(diǎn)頻率的1/4。

6.7 外部MOSFET選擇

• MAX20048采用H橋降壓 - 升壓架構(gòu)，需要四個(gè)外部MOSFET。在降壓模式下，Qt2導(dǎo)通，Qb2截止，Qt1和Qb1開關(guān)調(diào)節(jié)輸出電壓；在升壓模式下，Qt1導(dǎo)通，Qb1截止，Qt2和Qb2開關(guān)調(diào)節(jié)輸出電壓；在降壓 - 升壓區(qū)域，四個(gè)開關(guān)共同控制輸出電壓。選擇MOSFET時(shí)需考慮導(dǎo)通電阻、擊穿電壓、輸出電容和輸入電容等參數(shù)，低RDSON可降低導(dǎo)通損耗，小的柵極/輸出電容可減少開關(guān)損耗，但通常低RDSON的MOSFET在相同擊穿電壓下柵極電荷會(huì)較高，因此需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件進(jìn)行折衷選擇。

6.8 升壓電容和二極管選擇

• 升壓電容用于為高端開關(guān)的浮動(dòng)?xùn)艠O提供電荷，其電容值應(yīng)確保放電時(shí)的電壓降在可接受范圍內(nèi)。同時(shí)，選擇電容時(shí)要避免過(guò)大導(dǎo)致充電速度過(guò)慢，無(wú)法在頂部開關(guān)的最小關(guān)斷時(shí)間內(nèi)完全充電。升壓二極管根據(jù)平均柵極驅(qū)動(dòng)電流和二極管的阻斷電壓選擇，其最大阻斷電壓應(yīng)能承受FET的最大漏源電壓，快速反向恢復(fù)二極管可防止漏源電壓向偏置電源提供電流。

七、PCB布局指南

• 精心的PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)低開關(guān)功率損耗和干凈、穩(wěn)定的操作至關(guān)重要。建議盡可能使用多層板以提高抗噪能力，并遵循以下布局準(zhǔn)則：
  • 緊湊布局大功率組件，遠(yuǎn)離電流檢測(cè)和柵極驅(qū)動(dòng)等敏感信號(hào)，避免雜散噪聲拾取。
  • 將輸入電容和輸入電流檢測(cè)電阻靠近輸入MOSFET放置，形成小的輸入電流交流回路，減少EMI和噪聲。添加高頻去耦電容以提高高頻性能。
  • 將輸出電容和輸出電流檢測(cè)電阻靠近輸出MOSFET放置，形成小的輸出電流交流回路，同理減少EMI和噪聲。
  • 減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)（LX1和LX2）的面積，降低寄生電感，但需在熱耗散和噪聲抑制之間進(jìn)行折衷。
  • 使用開爾文檢測(cè)連接電流檢測(cè)電阻，并將檢測(cè)走線靠近布置，確保差分信號(hào)的平衡測(cè)量，同時(shí)遠(yuǎn)離其他噪聲走線。
  • 采用短而粗的柵極連接走線，避免柵極振鈴。
  • 使用內(nèi)部PCB層作為接地平面，提高EMI性能，同時(shí)在電路板上分布多個(gè)過(guò)孔，特別是在接地連接附近，以確保良好的整體接地連接。
  • 將PGND和AGND引腳直接連接到IC下方的暴露焊盤，確保AGND和PGND之間的最短連接路徑。
  • 將暴露焊盤焊接到設(shè)備下方的大銅平面區(qū)域，并在銅平面上添加過(guò)孔，以實(shí)現(xiàn)PCB和環(huán)境之間的有效熱交換。
  • 將偏置電容（CBIAS）靠近設(shè)備放置，減少偏置電流回路，降低偏置噪聲，使操作更平滑。

八、訂購(gòu)信息

MAX20048有多種型號(hào)可供選擇，不同型號(hào)在溫度范圍、引腳封裝、輸出電壓、FSYNC/ SYNCOUT功能和擴(kuò)頻功能上有所差異，具體可參考數(shù)據(jù)手冊(cè)中的訂購(gòu)信息表。

總之，MAX20048憑借其出色的性能、豐富的功能和全面的保護(hù)特性，為汽車電子中的電源管理提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，只要我們根據(jù)具體需求合理選擇和設(shè)計(jì)相關(guān)組件，并遵循正確的PCB布局指南，就能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換。大家在使用過(guò)程中有什么問(wèn)題或者經(jīng)驗(yàn)，歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。