MAXM17710 - MAXM17726：高效集成電源模塊的設(shè)計與應(yīng)用

在電子設(shè)備的設(shè)計中，電源模塊的選擇至關(guān)重要，它直接影響著設(shè)備的性能、穩(wěn)定性和尺寸。今天，我們就來深入探討一下 Analog Devices 推出的 MAXM17710 - MAXM17726 集成電源模塊，看看它在實際應(yīng)用中能為我們帶來哪些優(yōu)勢。

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一、產(chǎn)品概述

MAXM17710 - MAXM17726 屬于 Himalaya 系列電壓調(diào)節(jié)器 IC 和電源模塊，該系列旨在實現(xiàn)更涼爽、更小且更簡單的電源解決方案。這一系列的雙輸出調(diào)節(jié)器模塊將一個高效的 150mA 同步降壓 DC - DC 轉(zhuǎn)換器和一個高電源抑制比（PSRR）、低噪聲的 50mA 線性穩(wěn)壓器集成到 uSLIC? 電源模塊中。其輸入電壓范圍寬達(dá) 4V 至 60V，降壓轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器分別可提供高達(dá) 150mA 和 50mA 的輸出電流。

不同型號的模塊提供了多樣化的輸出電壓選項。其中，MAXM17710 - MAXM17714 模塊的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器提供固定的 3.3V 輸出；MAXM17715 - MAXM17720 模塊提供固定的 5V 輸出；而 MAXM17721 - MAXM17726 模塊則提供可調(diào)節(jié)的輸出電壓。線性穩(wěn)壓器在不同模塊中提供 1.2V 至 3.3V 的固定輸出電壓。

二、產(chǎn)品特性

（一）易于使用

1. 寬輸入電壓范圍：4V 至 60V 的寬輸入范圍，使得該模塊能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，無論是電池供電還是工業(yè)電源，都能輕松應(yīng)對。
2. 可調(diào)與固定輸出電壓模塊：提供了多種輸出電壓選項，滿足不同應(yīng)用場景的需求。對于需要固定電壓的應(yīng)用，可選擇固定輸出電壓的模塊；而對于需要靈活調(diào)整電壓的應(yīng)用，則可選擇可調(diào)輸出電壓的模塊。
3. 內(nèi)部電感和補(bǔ)償：集成了內(nèi)部電感和補(bǔ)償電路，無需外部補(bǔ)償組件，大大簡化了設(shè)計過程，降低了設(shè)計復(fù)雜度和制造成本。
4. 高輸出電流能力：降壓轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá) 150mA 的輸出電流，線性穩(wěn)壓器可提供 50mA 的輸出電流，能夠滿足大多數(shù)中小功率設(shè)備的供電需求。
5. 高精度輸出：線性穩(wěn)壓器輸出精度為 ±1.3%，降壓轉(zhuǎn)換器反饋精度為 ±2%，確保了輸出電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
6. 全陶瓷電容，緊湊布局：采用全陶瓷電容，具有良好的高頻特性和穩(wěn)定性，同時緊湊的布局設(shè)計使得模塊體積更小，適合對空間要求較高的應(yīng)用。

（二）高效節(jié)能

1. 可選 PWM 或 PFM 模式：用戶可以根據(jù)實際負(fù)載情況選擇脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式。PWM 模式適用于對頻率敏感的應(yīng)用，可提供固定的開關(guān)頻率；PFM 模式則在輕載時跳過脈沖，提高了輕載效率，降低了功耗。
2. 低靜態(tài)電流：關(guān)機(jī)電流僅為 2.5μA，無負(fù)載時的電源電流為 70μA，大大降低了系統(tǒng)的功耗，延長了電池續(xù)航時間。

（三）靈活設(shè)計

1. 內(nèi)部軟啟動和預(yù)偏置啟動：內(nèi)部軟啟動功能可在啟動時平滑增加輸出電壓，避免了浪涌電流對設(shè)備的沖擊；同時，該模塊還支持預(yù)偏置啟動，可在輸出電容已充電的情況下實現(xiàn)軟啟動，適用于多軌供電的數(shù)字集成電路應(yīng)用。
2. 可調(diào)開關(guān)頻率：降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率可在 350kHz 至 2.2MHz 之間調(diào)節(jié)，并支持外部同步，用戶可以根據(jù)實際需求選擇合適的開關(guān)頻率，優(yōu)化系統(tǒng)性能。
3. 開漏電源良好輸出（RESET 引腳）：RESET 引腳可用于監(jiān)測降壓轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器的輸出電壓，當(dāng)輸出電壓達(dá)到設(shè)定值的 95% 時，RESET 引腳變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)；當(dāng)輸出電壓低于設(shè)定值時，RESET 引腳拉低，方便用戶進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控和故障診斷。
4. 可編程 EN/UVLO 閾值：用戶可以通過外部電阻分壓器設(shè)置 EN/UVLO 引腳的閾值，從而調(diào)整模塊的啟動和關(guān)閉電壓，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

（四）可靠運行

1. 過流保護(hù)：采用滯回峰值電流限制保護(hù)方案，當(dāng)電感峰值電流超過 295mA（典型值）時，高側(cè)開關(guān)關(guān)閉，低側(cè)開關(guān)打開，以降低電感電流；如果電感電流連續(xù) 16 次達(dá)到峰值電流限制，則進(jìn)入打嗝模式，暫停開關(guān)操作 51ms（典型值），直到短路故障排除。
2. 過溫保護(hù)：當(dāng)結(jié)溫超過 160°C（典型值）時，片上熱傳感器將關(guān)閉設(shè)備，關(guān)閉內(nèi)部功率 MOSFET 和線性穩(wěn)壓器，待結(jié)溫下降 20°C 后，再以軟啟動方式重新開啟模塊，確保了模塊在高溫環(huán)境下的安全運行。
3. 寬工作溫度范圍：環(huán)境工作溫度范圍為 - 40°C 至 +125°C，結(jié)溫范圍為 - 40°C 至 +150°C，能夠適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境。
4. 電磁兼容性：符合 CISPR22（EN55022）Class B 傳導(dǎo)和輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，通過了跌落、沖擊和振動測試（JESD22 - B103、B104、B111），具有良好的電磁兼容性和可靠性。

三、引腳配置與功能

（一）引腳配置

該模塊采用 10 引腳 uSLIC 封裝，各引腳功能如下：

1. LX：開關(guān)節(jié)點，請勿在該引腳連接任何外部組件。
2. GND：接地引腳，應(yīng)連接到電源接地平面，并將所有電路接地連接在一點。
3. MODE/SYNC：模式選擇和外部時鐘同步輸入引腳。連接到 GND 引腳可啟用固定頻率 PWM 操作；不連接則為 PFM 操作。還可通過該引腳輸入外部時鐘信號，實現(xiàn)內(nèi)部時鐘與外部時鐘的同步。
4. RESET：開漏電源良好輸出引腳。當(dāng) FB 電壓低于設(shè)定值的 92% 或 OUTL 電壓低于設(shè)定值的 91.5% 時，該引腳拉低；當(dāng) FB 和 OUTL 電壓高于設(shè)定值的 95% 后 2.1ms，該引腳變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)。
5. OUTB：降壓 DC - DC 轉(zhuǎn)換器輸出引腳，應(yīng)連接一個電容到 GND。該引腳也是線性穩(wěn)壓器的電源輸入。
6. OUTL：線性穩(wěn)壓器輸出引腳，應(yīng)連接至少一個 2.2μF 的電容到 GND。
7. FB：降壓轉(zhuǎn)換器反饋輸入引腳。對于固定輸出電壓的模塊，直接連接到降壓轉(zhuǎn)換器的輸出節(jié)點；對于可調(diào)輸出電壓的模塊，連接到調(diào)節(jié)后的降壓電壓節(jié)點和 GND 之間的電阻分壓器。
8. RT：可編程開關(guān)頻率輸入引腳。通過連接一個電阻到 GND 來編程開關(guān)頻率，不連接時默認(rèn)開關(guān)頻率為 610kHz。
9. EN/UVLO：使能/欠壓鎖定輸入引腳。驅(qū)動該引腳為高電平可啟用輸出電壓；連接到 IN 到 GND 的電阻分壓器中點可設(shè)置設(shè)備開啟的輸入電壓；拉低到 GND 可禁用設(shè)備。
10. IN：降壓轉(zhuǎn)換器的電源輸入引腳，應(yīng)使用 X7R 1μF 陶瓷電容將該引腳解耦到 GND。

（二）功能詳解

1. 模式選擇和外部時鐘同步：MODE/SYNC 引腳具有模式選擇和外部時鐘同步兩種功能。接地時，模塊在所有負(fù)載下以恒定頻率 PWM 模式運行；不連接時，模塊在輕載時以 PFM 模式運行。當(dāng)檢測到 MODE/SYNC 引腳的上升沿時，內(nèi)部邏輯在 16 個時鐘周期后將模式從 PWM 切換到 PFM；檢測到下降沿時，從 PFM 切換到 PWM 是即時的。
2. 線性穩(wěn)壓器輸入：降壓轉(zhuǎn)換器的輸出連接到線性穩(wěn)壓器的輸入，線性穩(wěn)壓器可在 2.35V 至 5V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，最大輸出電流為 50mA。
3. 使能/欠壓鎖定輸入和軟啟動：當(dāng) EN/UVLO 電壓高于 1.215V（典型值）時，內(nèi)部誤差放大器參考電壓開始上升，軟啟動斜坡持續(xù)時間為 5.1ms（典型值），使輸出電壓平滑增加。將 EN/UVLO 拉低可禁用功率 MOSFET 和線性穩(wěn)壓器以及其他內(nèi)部電路，將 VIN 靜態(tài)電流降低到 2.5μA（典型值）以下。
4. 復(fù)位輸出：RESET 引腳用于監(jiān)測降壓轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器的輸出電壓。當(dāng)兩個輸出電壓分別高于其標(biāo)稱設(shè)定值的 95%（典型值）后 2.1ms，RESET 引腳變?yōu)楦咦杩範(fàn)顟B(tài)；當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓低于設(shè)定值的 92% 或線性穩(wěn)壓器輸出電壓低于設(shè)定值的 91.5% 時，RESET 引腳在 4μs 后拉低；當(dāng) EN/UVLO 電壓低于其閾值時，RESET 引腳也會拉低。
5. 開關(guān)頻率：通過連接一個電阻從 RT 到 GND，可將設(shè)備的開關(guān)頻率編程為 350kHz 至 2.2MHz。不連接 RT 引腳時，默認(rèn)開關(guān)頻率為 610kHz。PFM 模式下的最大允許開關(guān)頻率為 900kHz。

四、應(yīng)用信息

（一）輸入電壓范圍計算

對于給定的輸出電壓，需要計算最小和最大工作輸入電壓，計算公式如下： [V{I N(MIN)}=frac{V{OUTB }+left(I{OUT(MAX)} × 5.9right)}{1-t{OFFMIN(MAX)} × f{SW(MAX)}}+left(I{OUTB(MAX)} × 2.4right)] [V{IN(MAX)}=frac{V{OUTB }}{f{SW(MAX) } × t_{ONMIN(MAX)}}] [f{SW(MAX)}=f_{SWSET } × 1.11] [I{OUT(MAX) }=I{OUTB (MAX) }+I{LDOMAX }] 當(dāng)占空比 > 0.5 時： [f{SW(MIN)}=f{SWSET } × 0.89] [V{IN(MIN) }>left(3.985 × V{OUTB }right)-left(23.05 × 10^{-6} × f{SW(MIN)}right)]

（二）電容選擇

1. 輸入電容：輸入濾波電容可減少從電源汲取的峰值電流，降低開關(guān)轉(zhuǎn)換器引起的輸入噪聲和電壓紋波。輸入電容的 RMS 電流要求計算公式為： [I{RMS }=I{OUT(MAX) } × frac{sqrt{V{OUTB } timesleft(V{IN }-V{OUTB }right)}}{V{IN }}] [I{OUT(MAX) }=I{OUTB (MAX) }+I{LDO( MAX )}] 當(dāng)輸入電壓等于輸出電壓的兩倍時，RMS 電流要求達(dá)到最大值： [I{RMS(MAX)}=frac{^{OUT(MAX) }}{2}] 應(yīng)選擇在 RMS 輸入電流下溫度上升小于 +10°C 的輸入電容，推薦使用低 ESR、高紋波電流能力的陶瓷電容，如 X7R 電容。輸入電容的計算公式為： [C{I N}=frac{OUT(MAX) × D times(1-D)}{eta × F{SW} × Delta V{IN}}] 其中，D 為控制器的占空比（VOUTB/VIN），fSW 為開關(guān)頻率， (Delta V{IN}) 為允許的輸入電壓紋波，η 為降壓轉(zhuǎn)換器的效率。
2. 降壓轉(zhuǎn)換器輸出電容：推薦使用小陶瓷 X7R 級電容，其可提供平滑的電壓，存儲足夠的能量以支持負(fù)載瞬態(tài)條件下的輸出電壓，并穩(wěn)定設(shè)備的內(nèi)部控制環(huán)路。通常，輸出電容的大小應(yīng)能支持 75mA 的階躍負(fù)載，使輸出電壓偏差小于 3%。最小所需輸出電容的計算公式為： [C{OUTB }=frac{20}{V{OUTB }}] 在選擇輸出電容時，需要考慮陶瓷電容在直流偏置電壓下的降額情況。
3. 線性穩(wěn)壓器輸出電容：為確保穩(wěn)定運行，應(yīng)在 OUTL 引腳使用一個低 ESR 的 2.2μF X7R 陶瓷電容，并確保在最壞情況下的降額電容不低于 1μF。

（三）輸入欠壓鎖定電平設(shè)置

通過連接一個電阻分壓器從 IN 到 GND，并將分壓器的中心節(jié)點連接到 EN/UVLO 引腳，可以設(shè)置設(shè)備開啟的電壓。選擇 R1 最大為 3.3MΩ，然后根據(jù)以下公式計算 R2： [R 2=frac{R 1 × 1.215}{left(V_{INU }-1.215right)}] 其中，VINU 為設(shè)備需要開啟的電壓，應(yīng)始終選擇大于或等于 4V。

（四）輸出電壓設(shè)置

對于 MAXM17710 - MAXM17720 模塊，將反饋（FB）直接連接到降壓轉(zhuǎn)換器的輸出節(jié)點進(jìn)行反饋控制。對于 MAXM17721 - MAXM17726 模塊，可通過連接一個電阻分壓器從輸出節(jié)點到 FB 到 GND 來設(shè)置輸出電壓。選擇 R4 小于或等于 49.9kΩ，然后根據(jù)以下公式計算 R3： [R 3=R 4 timesleft[frac{V_{OUTB }}{0.8}-1right]]

（五）功率損耗計算

模塊內(nèi)部的功率損耗會導(dǎo)致結(jié)溫升高，滿負(fù)載時模塊內(nèi)部的功率損耗可估算如下： [P{LOSS }=P{BUCK}+P{LDO}] [P{BUCK }=left(V{OUTB } timesleft(I{OUTB }+I{OUTL }right) timesleft(frac{1}{n}-1right)right)] [P{LDO}=left(V{OUTB }-V{OUTL }right) × I{OUTL }] 其中，VOUTB 為降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓，IOUTB 為降壓轉(zhuǎn)換器負(fù)載電流，n 為降壓轉(zhuǎn)換器的效率，VOUTL 為 LDO 輸出電壓，IOUTL 為 LDO 負(fù)載電流。 模塊的結(jié)溫（TJ）可根據(jù)以下公式在任何給定環(huán)境溫度（TA）下估算： [T{J}=T{A}+left(theta{JA} × P_{LOSS}right)] 對于焊接在評估板上的 MAXM17710 - MAXM17726 模塊，結(jié)到環(huán)境的熱阻（θJA）為 45°C/W。當(dāng)模塊在結(jié)溫高于 +125°C 的條件下運行時，會降低其使用壽命。

（六）PCB 布局指南

為了獲得良好的 PCB 布局，建議遵循以下指南：

1. 將輸入陶瓷電容盡可能靠近 IN 和 GND 引腳。
2. 將降壓轉(zhuǎn)換器的輸出陶瓷電容盡可能靠近 OUTB 和 GND 引腳。
3. 最小化 LX 引腳形成的面積，以減少輻射 EMI。
4. 確保反饋連接短而直接。
5. 將 LDO 輸出電容靠近 OUTL 和 GND 引腳。

五、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了幾個典型應(yīng)用電路，如 MAXM17712、MAXM17720 和 MAXM17724 的應(yīng)用電路。這些電路展示了如何根據(jù)不同的需求選擇合適的組件和設(shè)置參數(shù)，為實際應(yīng)用提供了參考。

六、總結(jié)

MAXM17710 - MAXM17726 集成電源模塊以其寬輸入電壓范圍、高效節(jié)能、靈活設(shè)計和可靠運行等特點，為電子工程師提供了一個優(yōu)秀的電源解決方案。無論是工業(yè)傳感器、可編程邏輯控制器、電池供電設(shè)備，還是 HVAC 和建筑控制等應(yīng)用領(lǐng)域，該模塊都能發(fā)揮其優(yōu)勢，幫助工程師快速實現(xiàn)高性能、高可靠性的電源設(shè)計。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇模塊型號、設(shè)置參數(shù)，并遵循 PCB 布局指南，以確保模塊的性能和穩(wěn)定性。你在使用類似電源模塊時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。