探索 MAXM17537：高效 DC - DC 降壓 SiP 電源模塊的設計秘籍

在電子設備的電源設計領域，高效、緊湊且可靠的電源模塊一直是工程師們追求的目標。今天，我們要深入探討的是 Maxim Integrated 推出的 MAXM17537，一款 4.5V 至 60V、3A 高效 DC - DC 降壓 SiP 電源模塊，它集成了電感器，為電源設計帶來了諸多便利和優勢。

文件下載：MAXM17537.pdf

一、產品概述

MAXM17537 屬于 Himalaya 系列電壓調節器 IC 和電源模塊，該系列旨在實現更涼爽、更小且更簡單的電源解決方案。這款模塊將開關電源控制器、雙 n 溝道 MOSFET 功率開關、全屏蔽電感器以及補償組件集成在一個低剖面、熱效率高的系統級封裝（SiP）中。它能在 4.5V 至 60V 的寬輸入電壓范圍內工作，在 8V 至 24V 的輸出電壓范圍內提供高達 3A 的連續輸出電流，并且具有出色的線路和負載調節能力。高度集成顯著降低了設計復雜度和制造風險，提供了真正的即插即用電源解決方案，縮短了產品上市時間。

二、產品特性與優勢

（一）降低設計復雜度、制造風險和上市時間

• 集成度高：集成了同步降壓 DC - DC 轉換器、電感器、FET 和補償組件，減少了外部元件數量，簡化了設計流程。
• 節省空間：采用 9mm x 15mm x 4.32mm 的小尺寸 SiP 封裝，在空間受限的應用中節省了電路板空間，同時簡化了 PCB 設計。

（二）電源設計優化的靈活性

• 寬輸入電壓范圍：4.5V 至 60V 的輸入電壓范圍，適用于多種電源場景。
• 可調輸出電壓：輸出電壓可在 8V 至 24V 范圍內調節，滿足不同負載的需求。
• 可調頻率：通過外部頻率同步，開關頻率可在 100kHz 至 2.2MHz 之間調節，還支持 PWM、PFM 或 DCM 電流模式控制，以及可編程軟啟動功能。此外，輔助自舉 LDO 提高了效率，還有可選的可編程 EN/UVLO 功能。

（三）惡劣工業環境下的可靠運行

• 熱保護：集成了熱保護功能，當結溫超過 165°C（典型值）時，芯片會自動關閉，待溫度下降 10°C 后重新開啟，軟啟動在熱關斷時會重置。
• 過載保護：具備打嗝模式過載保護，當出現過載或輸出短路情況時，模塊會進入打嗝模式，暫停開關操作 32,768 個開關周期，之后再次嘗試軟啟動，確保在輸出過載或短路條件下的低功耗。
• RESET 輸出電壓監控：通過 RESET 引腳監控輸出電壓，當輸出電壓低于 92.5% 的標稱調節電壓時，RESET 輸出低電平；當輸出電壓高于 95.5% 的標稱調節電壓時，RESET 輸出高電平。

三、電氣特性

（一）輸入電源

• 輸入電壓范圍：4.5V 至 60V。
• 輸入關斷電流：在關斷模式下，典型值為 11μA，最大值為 16μA。
• 輸入靜態電流：在不同模式下有不同的值，如 PFM 模式下典型值為 128μA，DCM 模式下典型值為 2mA，PWM 模式下無負載且輸出電壓為 5V 時典型值為 14.5mA。

（二）使能/欠壓鎖定（EN/UVLO）

• 閾值：EN/UVLO 上升閾值典型值為 1.215V，下降閾值典型值為 1.09V。
• 上拉電阻：IN 和 EN/UVLO 引腳之間的上拉電阻典型值為 3.32MΩ。

（三）低壓差（LDO）

• Vcc 輸出電壓范圍：在 6V < VIN < 60 且 IVcc = 1mA 時，典型值為 5V，范圍為 4.75V 至 5.25V；在 1mA < IVcc < 45mA 時，同樣如此。
• Vcc 電流限制：典型值為 90mA，范圍為 50mA 至 150mA。
• IN 到 Vcc 的壓差：在 VIN = 4.5V 且 IVcc = 45mA 時，最大值為 0.4V。

（四）軟啟動（SS）

充電電流在 Vss = 0.5V 時，典型值為 5μA，范圍為 4.7μA 至 5.3μA。

（五）輸出規格

• 線路調節精度：在 VIN = 15V 至 60V 且 VOUT = 12V 時，典型值為 0.1mV/V。
• 負載調節精度：在 VOUT = 12V 且負載電流從 0 到 3A 測試時，典型值為 6mV/A。
• FB 調節電壓：根據 MODE/SYNC 引腳的不同狀態有不同的值，如 MODE/SYNC = SGND 或 MODE = Vcc 時，典型值為 0.9V；MODE/SYNC = OPEN 時，典型值為 0.915V。

四、工作模式

（一）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操作，適用于對開關頻率變化敏感的應用。但在輕負載時，與 PFM 和 DCM 模式相比，效率較低。

（二）PFM 模式

PFM 模式禁用負電感電流，在輕負載時跳過脈沖以提高效率。當輸出電壓達到標稱電壓的 102.3% 時，高低側 FET 關閉，進入休眠模式；當輸出電壓降至標稱電壓的 101.1% 時，設備退出休眠模式，重新開始工作。該模式在輕負載時效率高，但輸出電壓紋波比 PWM 或 DCM 模式高，且輕負載時開關頻率不恒定。

（三）DCM 模式

DCM 模式在輕負載時不跳過脈沖，僅禁用負電感電流，能實現比 PFM 模式更低負載下的恒定頻率操作，效率介于 PWM 和 PFM 模式之間。

五、設計要點

（一）設置開關頻率

通過將電阻從 RT 引腳連接到 SGND 可將開關頻率編程為 100kHz 至 2.2MHz，開關頻率（fSW）與 RT 引腳連接的電阻（RRT）的關系為 (R{R T} cong frac{19 × 10^{3}}{f{S W}}-1.7) ，若 RT 引腳未連接，則設備以默認的 450kHz 開關頻率運行。

（二）確定工作輸入電壓范圍

根據輸出電壓、最大負載電流、最大開關頻率和最小開關導通時間等參數計算最小和最大工作輸入電壓，具體公式如下： [V{I N(M I N)}=frac{V{OUT }+I{OUT(M A X)} × 0.091}{1-f{SW(M A X)} timesleft(230 × 10^{-9}right)}+left(I{OUT(MAX) } × 0.034right)] [V{I N(M A X)}=frac{V{OUT }}{f{S W(M A X)} × t{O N(M I N)}}] 當占空比 > 0.5 時： [V{IN(MIN) }=left(3.47 × V{OUT }right)-left(5.36 × 10^{-5} × f{SW}right)+0.936]

（三）外部頻率同步

MAXM17537 的內部振蕩器可通過 MODE/SYNC 引腳與外部時鐘信號同步，外部同步時鐘頻率必須在 (1.1 x fsw) 和 (1.4 x fsw) 之間，當檢測到 16 個外部時鐘邊緣后，內部振蕩器頻率將變為外部時鐘頻率，同步操作期間轉換器工作在 PWM 模式。

（四）DL - 到 - OUT 短路檢測

為防止 DL 引腳與 OUT 引腳短路損壞低側 FET，該模塊實現了 DL - 到 - OUT 短路檢測功能。若在啟動前檢測到短路，啟動序列將不會啟動，輸出電壓也不會軟啟動。

（五）過流保護（OCP）/打嗝模式

模塊具備強大的過流保護方案，當高側開關電流超過 5.7A（典型值）時，高側 MOSFET 關閉。若達到 6.7A（典型值）的失控電流限制，或軟啟動完成后 FB 節點低于其標稱調節閾值的 64.5%，模塊將進入打嗝模式，暫停開關操作 32,768 個開關周期，之后再次嘗試軟啟動。

（六）RESET 輸出

MAXM17537 包含一個比較器來監控輸出電壓，RESET 輸出為開漏輸出，需要外部上拉電阻。當調節器輸出電壓高于設計標稱調節電壓的 95.5% 時，RESET 輸出高電平；當輸出電壓降至標稱調節電壓的 92.5% 以下時，RESET 輸出低電平，熱關斷時 RESET 也輸出低電平。

（七）預偏置輸出

當模塊啟動到預偏置輸出時，高低側開關關閉，直到 PWM 比較器發出第一個 PWM 脈沖，開關才開始切換，輸出電壓隨后平穩上升到目標值。

（八）熱關斷保護

熱關斷保護限制了模塊的總功耗，當結溫超過 165°C（典型值）時，片上熱傳感器關閉設備，溫度下降 10°C 后重新開啟，軟啟動在熱關斷時重置。

六、組件選擇

（一）輸入電容

輸入濾波電容可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。輸入電容的 RMS 電流要求為 (I{RMS} = I{OUT(MAX) } × frac{sqrt{V{OUT } timesleft(V{IN }-V{OUT }right)}}{V{IN }}) ，建議選擇在 RMS 輸入電流下溫度上升小于 10°C 的低 ESR 陶瓷電容，如 X7R 電容。

（二）輸出電容

在工業應用中，X7R 陶瓷輸出電容因其溫度穩定性而被優先選擇。輸出電容的大小通常根據應用中最大輸出電流的 50% 階躍負載來確定，以確保輸出電壓偏差控制在輸出電壓變化的 3% 以內，最小所需輸出電容可通過以下公式計算： [t{RESPONSE } congleft(frac{0.33}{f{C}}+frac{1}{f{SW}}right)] [C{OUT }=frac{1}{2} × frac{I{STEP } × t{RESPONSE }}{Delta V_{OUT }}]

（三）軟啟動電容

通過將電容從 SS 引腳連接到 SGND 可編程軟啟動時間，最小所需軟啟動電容與所選輸出電容（CSEL）和輸出電壓（VOUT）的關系為 (C{SS} geq 28 × 10^{-6} × C{SEL} × V{OUT }) ，軟啟動時間（tSS）與 SS 引腳連接的電容（CSS）的關系為 (t{s s}=frac{C_{s s}}{5.55}) 。

（四）設置輸入欠壓鎖定電平

通過計算 (R{E N}=frac{3.32 × 1.215}{left(V{INU }-1.215right)}) 來設置 MAXM17537 開啟的電壓，確保 VINU 高于 0.8 x VOUT。

（五）調整輸出電壓

通過連接從輸出電容正端（VOUT）到 SGND 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。首先計算從輸出到 FB 的電阻 (R{U}=frac{451 × 10^{3}}{f{C} × C{OUT}}) ，然后計算從 FB 到 SGND 的電阻 (R{B}=frac{R{U} × 0.9}{left(V{OUT }-0.9right)}) ，同時兩個反饋電阻需滿足 (6000{U} × R{B}}{R{U}+R{B}}<50,000) 。

七、PCB 布局指南

（一）減少電感和 EMI

所有承載脈沖電流的連接必須盡可能短且寬，以降低連接的電感，減小電流環路面積，從而減少輻射 EMI。

（二）輸入電容放置

將陶瓷輸入濾波電容靠近模塊的 IN 引腳放置，以消除盡可能多的走線電感影響，為模塊提供更干凈的電壓源。

（三）熱性能優化

為了有效散熱，在模塊暴露焊盤下方提供多個熱過孔，連接到大面積接地平面。

八、典型應用電路

文檔中給出了 15V 和 24V 輸出的典型應用電路示例，包括輸入電容、輸出電容、電阻等組件的具體參數，為工程師的實際設計提供了參考。

綜上所述，MAXM17537 以其高集成度、寬輸入電壓范圍、靈活的工作模式和豐富的保護功能，為電源設計提供了一個優秀的解決方案。在實際應用中，工程師們需要根據具體需求合理選擇組件和工作模式，同時注意 PCB 布局，以充分發揮該模塊的性能優勢。你在使用 MAXM17537 或其他類似電源模塊時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。