探索MAX17521：60V、1A雙輸出高效同步降壓DC - DC轉換器

在電子設計的世界里，選擇合適的DC - DC轉換器對于實現高效、穩定的電源供應至關重要。今天，我們就來深入了解一款性能出色的產品——MAX17521雙輸出同步降壓DC - DC轉換器。

文件下載：MAX17521.pdf

一、產品概述

MAX17521是一款工作在4.5V至60V輸入電壓范圍的雙輸出同步降壓DC - DC轉換器，每個輸出能夠提供高達1A的負載電流。其反饋電壓調節精度在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內達到±1.7%，這意味著在不同的負載、線路和溫度條件下，它都能保持出色的電壓穩定性。該產品采用峰值電流模式控制方案，每個輸出可以在脈沖寬度調制（PWM）或脈沖頻率調制（PFM）控制模式下運行，并且提供了24引腳（4mm x 5mm）的TQFN封裝，還配備了仿真模型，方便工程師進行設計和驗證。

二、產品特性與優勢

（一）減少外部組件和總成本

• 無肖特基同步操作：這種設計避免了使用肖特基二極管，簡化了電路結構，降低了成本。
• 全陶瓷電容，緊湊布局：全陶瓷電容的使用不僅減小了電路板的尺寸，還提高了電路的穩定性和可靠性。

（二）減少庫存的DC - DC調節器數量

• 寬輸入電壓范圍：4.5V至60V的寬輸入范圍使得該轉換器能夠適應多種不同的電源環境，減少了對不同輸入電壓調節器的需求。
• 可調節輸出電壓：每個輸出電壓可以在0.9V至92%VIN的范圍內進行調節，滿足了不同負載對電壓的要求。
• 引腳可選的開關頻率：通過引腳可以選擇560kHz或300kHz的開關頻率，工程師可以根據具體應用需求進行靈活配置。
• 獨立的輸入電壓引腳：每個輸出都有獨立的輸入電壓引腳，提高了設計的靈活性。

（三）降低功耗

• 高峰值效率：峰值效率超過90%，能夠有效降低能量損耗，提高電源的轉換效率。
• PFM模式提高輕載效率：在輕載情況下，PFM模式可以進一步降低功耗，延長電池續航時間。
• 低關機電流：僅1μA的關機電流，在設備不工作時能夠節省大量的電能。

（四）在惡劣工業環境中可靠運行

• 打嗝模式過載保護：當出現過載或短路情況時，打嗝模式可以有效保護設備，減少功率損耗。
• 可調節軟啟動引腳：每個輸出都有可調節的軟啟動引腳，能夠減少啟動時的浪涌電流，保護設備和負載。
• 內置輸出電壓監控和復位功能：可以實時監控輸出電壓，并在電壓異常時及時發出復位信號，確保系統的穩定性。
• 可調節的使能/欠壓鎖定閾值：根據不同的應用需求，可以靈活設置使能和欠壓鎖定的閾值。
• 單調啟動到預偏置負載：在預偏置負載的情況下，能夠實現平穩的啟動過程。
• 過溫保護：當芯片溫度超過165°C時，過溫保護功能會自動關閉芯片，防止芯片損壞。
• 寬工作溫度范圍： - 40°C至 + 125°C的環境工作溫度范圍和 - 40°C至 + 150°C的結溫范圍，使得該產品能夠在惡劣的工業環境中穩定運行。

三、電氣特性

MAX17521的電氣特性涵蓋了輸入電源、使能/欠壓鎖定、頻率選擇、模式選擇、LDO、功率MOSFET等多個方面。下面我們來重點關注一些關鍵參數：

（一）輸入電源

• 輸入電壓范圍：4.5V至60V，能夠適應多種不同的電源輸入。
• 輸入關機電流：在關機模式下，輸入電流僅為1μA至3.5μA，功耗極低。
• 輸入開關電流：在不同的模式和頻率選擇下，輸入開關電流有所不同，工程師可以根據具體應用進行優化。

（二）輸出電壓

輸出電壓范圍可以根據頻率選擇引腳（FSEL）的狀態進行調整，在無負載情況下，VFSEL > 2V時，輸出電壓范圍為0.92V至0.92VIN；VFSEL < 0.8V時，輸出電壓范圍為0.92V至0.96VIN。

（三）開關頻率

開關頻率可以通過FSEL引腳進行選擇，當FSEL懸空時，開關頻率為560kHz；當FSEL接地時，開關頻率為300kHz。此外，還可以通過SYNC引腳將內部振蕩器同步到外部時鐘信號，外部同步時鐘頻率必須在1.1 x fSW至1.4 x fSW之間。

四、典型應用電路與特性曲線

文檔中提供了MAX17521的典型應用電路，通過該電路可以直觀地了解如何使用該轉換器。同時，還給出了一系列典型的工作特性曲線，包括整體效率與輸入電壓、效率與負載電流、輸出電壓的負載調節和線性調節等。這些曲線可以幫助工程師更好地了解該產品在不同工作條件下的性能表現，從而進行合理的設計和優化。

五、引腳配置與功能

MAX17521共有24個引腳，每個引腳都有其特定的功能。下面我們來簡要介紹一些關鍵引腳：

（一）電源相關引腳

• VIN1和VIN2：分別為兩個轉換器的電源輸入引腳，輸入電壓范圍為4.5V至60V，需要使用2.2μF的電容進行去耦。
• PGND1和PGND2：分別為兩個轉換器的功率接地引腳，需要連接到電源接地平面。
• VCC1和VCC2：分別為兩個轉換器的5V LDO輸出引腳，需要使用1μF的陶瓷電容進行旁路。

（二）控制相關引腳

• EN/UVLO1和EN/UVLO2：分別為兩個轉換器的使能/欠壓鎖定輸入引腳，通過拉高該引腳可以使能相應的轉換器。
• MODE1和MODE2：分別為兩個轉換器的模式選擇引腳，可以選擇PWM或PFM模式。
• FSEL：開關頻率選擇引腳，通過該引腳可以選擇560kHz或300kHz的開關頻率。
• SS1和SS2：分別為兩個轉換器的軟啟動輸入引腳，通過連接電容到SGND可以設置軟啟動時間。
• FB1和FB2：分別為兩個轉換器的反饋輸入引腳，用于調節輸出電壓。
• RESET1和RESET2：分別為兩個轉換器的復位輸出引腳，用于監控輸出電壓。

六、詳細工作原理

（一）控制方案

MAX17521采用峰值電流模式控制方案。對于每個輸出，內部跨導誤差放大器會生成一個積分誤差電壓，該誤差電壓通過PWM比較器、高端電流檢測放大器和斜率補償發生器來設置占空比。在時鐘的每個上升沿，高端pMOSFET導通，直到達到合適的或最大占空比，或者檢測到峰值電流限制為止。

（二）開關周期

在高端MOSFET導通期間，電感電流上升；在開關周期的后半部分，高端MOSFET關斷，低端nMOSFET導通，直到下一個時鐘上升沿到來或檢測到灌電流限制為止。此時，電感釋放存儲的能量，電流下降，并為輸出提供電流。內部低RDSON的pMOS/nMOS開關確保了滿載時的高效率。

（三）模式選擇

該產品提供了PWM和PFM兩種工作模式。PWM模式在所有負載下提供恒定的開關頻率，適用于對開關頻率敏感的應用；PFM模式在輕載時可以跳過脈沖，提高效率，但輸出電壓紋波較大，開關頻率也不恒定。

七、保護功能

（一）過流保護

• 逐周期峰值電流限制：當高端開關電流超過內部限制（典型值為1.6A）時，逐周期峰值電流限制會關閉高端MOSFET。
• 失控電流限制：當高端開關電流達到1.85A（典型值）時，失控電流限制會觸發打嗝模式，保護設備在高輸入電壓、短路等情況下的安全。

（二）打嗝模式

當輸出電壓在軟啟動完成后下降到其標稱值的70%（典型值）時，打嗝模式會被觸發。在打嗝模式下，轉換器會暫停開關操作4096個時鐘周期，然后再次嘗試軟啟動，以減少過載故障條件下的功率損耗。

（三）復位輸出

該產品包含兩個復位比較器，用于監控輸出電壓。復位輸出為開漏輸出，需要外部上拉電阻。當輸出電壓下降到標稱調節電壓的92.5%以下時，復位信號變低；當輸出電壓上升到標稱調節電壓的95.5%以上時，復位信號在1024個開關周期后變高。

（四）熱過載保護

當芯片的結溫超過 + 165°C時，片上熱傳感器會關閉設備，使其冷卻。當結溫下降10°C后，熱傳感器會再次開啟設備。在熱關斷期間，軟啟動會復位。

八、應用信息

（一）元件選擇

• 輸入電容：輸入電容的選擇需要考慮其RMS電流要求，計算公式為 (I{RMS }=I{OUT(MAX) } × frac{sqrt{V{OUT } timesleft(V{IN }-V{OUT }right)}}{V{IN }})。在選擇電容時，應選擇能夠承受最大RMS電流且溫度上升小于 + 10°C的電容，以確保長期可靠性。
• 電感：電感的選擇需要考慮電感值、飽和電流和直流電阻。電感值可以根據公式 (L=frac{2.2 × V{OUT }}{f{SW}}) 進行計算，飽和電流應高于峰值電流限制值（1.85A）。
• 輸出電容：在工業應用中，建議使用X7R陶瓷輸出電容，其電容值可以根據公式 (C{OUT }=frac{1}{2} × frac{I{STEP } × t{RESPONSE }}{Delta V{OUT }}) 進行計算，其中 (t{RESPONSE } congleft(frac{0.33}{f{C}}+frac{1}{f_{sw}}right))。
• 軟啟動電容：軟啟動電容的選擇需要根據輸出電容和輸出電壓來確定，計算公式為 (C{SS} geq 56 × 10^{-6} × C{SEL} × V{OUT })，軟啟動時間與電容的關系為 (t{S S} geq frac{C_{S S}}{5.55 × 10^{-6}})。

（二）PCB布局

PCB布局對于實現低開關損耗和穩定運行至關重要。在布局時，應確保所有承載脈沖電流的連接盡可能短且寬，以減小環路面積，降低雜散電感和輻射EMI。同時，應將陶瓷輸入濾波電容靠近VIN引腳，VCC引腳的旁路電容靠近VCC引腳，外部補償組件靠近IC并遠離電感，反饋走線應盡量遠離電感。此外，模擬小信號地和開關電流的功率地應分開，并在VCC旁路電容的返回端連接在一起，接地平面應盡可能保持連續。

九、總結

MAX17521是一款功能強大、性能出色的雙輸出同步降壓DC - DC轉換器，具有寬輸入電壓范圍、高效、可靠等優點。它適用于工業控制電源、CPU、DSP或FPGA電源、分布式電源調節等多種應用場景。在設計過程中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇元件和進行PCB布局，以充分發揮該產品的性能優勢。希望通過本文的介紹，能夠幫助大家更好地了解和使用MAX17521。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享交流。