MAX17531：高效同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高效、小尺寸且性能穩(wěn)定的DC - DC轉(zhuǎn)換器一直是工程師們追求的目標(biāo)。今天，我們就來深入探討一下Maxim Integrated推出的MAX17531，一款4V至42V輸入、50mA輸出的超小型、高效同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器。

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產(chǎn)品概述

MAX17531集成了MOSFET，工作輸入電壓范圍為4V至42V，能夠提供高達(dá)50mA的輸出電流，輸出電壓范圍從0.8V到0.9×VIN，并且在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內(nèi)，反饋電壓精度可達(dá)±1.75%。它采用峰值電流模式控制，可在脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式下運(yùn)行，提供了10引腳（3mm x 2mm）TDFN和10引腳（3mm x 3mm）μMAX?兩種封裝形式，還提供仿真模型，方便工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)與特性

減少外部元件和總成本

• 同步整流：無需肖特基二極管，采用同步整流方式，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
• 內(nèi)部補(bǔ)償：針對(duì)任何輸出電壓都有內(nèi)部補(bǔ)償，減少了外部補(bǔ)償元件的使用。
• 內(nèi)置軟啟動(dòng)：內(nèi)置軟啟動(dòng)功能，避免了啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。
• 全陶瓷電容：支持全陶瓷電容，可實(shí)現(xiàn)緊湊的布局。

減少DC - DC穩(wěn)壓器庫(kù)存

• 寬輸入范圍：4V至42V的寬輸入電壓范圍，適用于多種電源場(chǎng)景。
• 可調(diào)輸出：輸出電壓可在0.8V至0.9×VIN之間調(diào)節(jié)，滿足不同的應(yīng)用需求。
• 可調(diào)開關(guān)頻率：開關(guān)頻率可在100kHz至2.2MHz之間調(diào)節(jié)，還支持外部同步。

降低功耗

• 低靜態(tài)電流：無負(fù)載時(shí)的電源電流僅為22μA，在PFM模式下能夠有效降低功耗。
• 高效率：峰值效率超過90%，PFM模式可進(jìn)一步提高輕載效率。
• 低關(guān)斷電流：關(guān)斷電流低至1.2μA。

惡劣環(huán)境下可靠運(yùn)行

• 過流保護(hù)：具有峰值電流限制保護(hù)，防止電感和內(nèi)部FET在短路等情況下?lián)p壞。
• 輸出電壓監(jiān)測(cè)：內(nèi)置輸出電壓監(jiān)測(cè)RESET功能，可及時(shí)反饋輸出電壓狀態(tài)。
• 可編程EN/UVLO閾值：可根據(jù)需要設(shè)置輸入欠壓鎖定（UVLO）閾值。
• 預(yù)偏置負(fù)載啟動(dòng)：支持向預(yù)偏置輸出單調(diào)啟動(dòng)，適用于多軌供電的數(shù)字集成電路。
• 過溫保護(hù)：當(dāng)結(jié)溫超過 + 160°C時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉設(shè)備，待溫度下降20°C后重新開啟。
• 寬溫度范圍：工業(yè)級(jí)工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，結(jié)溫范圍為 - 40°C至 + 150°C。

電氣特性

在 (V{IN}=24V)，(V{GND}=0V)，(V{OUT}=3.3V)，(V{FB}=0.85V)，(V{EN/UVLO}=1.5V)，RT/SYNC = 191kΩ等典型條件下，MAX17531展現(xiàn)出了一系列優(yōu)秀的電氣特性。例如，輸入電壓范圍為4V至42V，輸入關(guān)斷電流在 (V{EN/UVLO}=0V)，(T_{A}= + 25°C) 時(shí)為0.67 - 2.25μA，PFM模式下的靜態(tài)電流為18 - 32μA等。詳細(xì)的電氣特性參數(shù)可參考數(shù)據(jù)手冊(cè)中的電氣特性表格。

引腳配置與功能

MAX17531的引腳配置清晰，各引腳功能明確：

• IN：開關(guān)穩(wěn)壓器輸入，需連接一個(gè)1uF的X7R陶瓷電容到GND進(jìn)行旁路。
• EN/UVLO：高電平有效，用于使能/欠壓檢測(cè)輸入。可通過連接電阻分壓器來設(shè)置設(shè)備開啟的輸入電壓，拉低該引腳可禁用穩(wěn)壓器輸出。
• RT/SYNC：振蕩器定時(shí)電阻輸入，通過連接電阻到GND可編程開關(guān)頻率，也可通過耦合電容連接外部脈沖實(shí)現(xiàn)外部同步。
• SS：軟啟動(dòng)電容輸入，連接電容到GND可設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間，不連接時(shí)默認(rèn)內(nèi)部軟啟動(dòng)時(shí)間為5.1ms。
• FB：輸出反饋連接，通過連接電阻分壓器到VOUT和GND來設(shè)置輸出電壓。
• VOUT：為內(nèi)部控制電路提供外部偏置輸入，在輸出電壓為3.3V至5V的應(yīng)用中，需用陶瓷電容去耦到GND，并通過電阻連接到輸出電容正端；輸出電壓小于3.3V或大于5V時(shí)，連接到GND。
• RESET：開漏復(fù)位輸出，需通過外部電阻上拉到外部電源。當(dāng)FB電壓低于設(shè)定值的92%時(shí)，RESET拉低；高于設(shè)定值的95%后2ms，RESET變?yōu)楦咦钁B(tài)。
• MODE：PFM/PWM模式選擇輸入，不連接時(shí)為輕載PFM模式，接地時(shí)為固定頻率PWM模式。
• GND：接地，需連接到電源接地平面，并將所有電路接地連接點(diǎn)單點(diǎn)連接。
• LX：電感連接，連接到電感的開關(guān)側(cè)，設(shè)備關(guān)斷時(shí)為高阻抗。
• EP（僅TDFN封裝）：暴露焊盤，連接到IC的GND引腳。

工作模式與控制邏輯

模式選擇

MAX17531通過MODE引腳選擇工作模式。當(dāng)MODE引腳不連接時(shí)，輕載時(shí)工作在PFM模式；接地時(shí)，在所有負(fù)載下都工作在恒定頻率的強(qiáng)制PWM模式。PWM模式適用于對(duì)頻率敏感的應(yīng)用，能提供固定的開關(guān)頻率，但輕載效率較低；PFM模式可禁用負(fù)電感電流，輕載時(shí)跳過脈沖以提高效率。

軟啟動(dòng)與使能輸入

當(dāng)EN/UVLO電壓超過1.25V（典型值）時(shí)，設(shè)備啟動(dòng)軟啟動(dòng)序列。軟啟動(dòng)時(shí)間取決于SS引腳的狀態(tài)，不連接時(shí)使用5ms的內(nèi)部軟啟動(dòng)，連接電容時(shí)，5μA的電流源對(duì)電容充電，使SS引腳電壓上升，作為內(nèi)部誤差放大器的參考，使輸出電壓從0單調(diào)上升到設(shè)定值。EN/UVLO還可用于調(diào)整輸入欠壓鎖定電平，拉低該引腳可使功率MOSFET和其他內(nèi)部電路禁用，將IN靜態(tài)電流降低到1.2μA以下。

開關(guān)頻率與外部同步

開關(guān)頻率可通過連接在RT/SYNC引腳的電阻在100kHz至2.2MHz之間編程，計(jì)算公式為 (R{T}=frac{42000}{f{SW}}) 。外部同步時(shí)，需通過47pF電容將外部時(shí)鐘耦合到RT/SYNC引腳，外部時(shí)鐘邏輯高電平應(yīng)高于3V，邏輯低電平低于0.5V，占空比在10%至70%之間，且僅在PWM模式下支持外部同步，RT電阻應(yīng)使開關(guān)頻率比外部時(shí)鐘頻率低10%，外部時(shí)鐘應(yīng)在設(shè)備使能后至少500μs施加。

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電感選擇

應(yīng)選擇低損耗、直流電阻盡可能小且尺寸合適的電感。電感值計(jì)算公式為 (L=frac{18000 × V{OUT }}{f{SW}}) ，輸出電感的峰 - 峰紋波電流計(jì)算公式為 (Delta l=frac{1000 × V{OUT } timesleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)}{f{SW} × L}) ，電感的飽和電流額定值必須超過最大電流限制值（IPEAK - LIMIT），至少為0.123A。常見的電感核心材料有鐵氧體和粉末鐵，鐵氧體核心損耗低，適用于高效設(shè)計(jì)；粉末鐵核心損耗較大，但成本相對(duì)較低。

電容選擇

• 輸入電容：建議使用小型陶瓷輸入電容，如1μF、X7R等級(jí)且封裝大于0805的電容，可減少?gòu)碾娫醇橙〉姆逯惦娏鳎档?a href="http://www.3532n.com/soft/data/4-15/" target="_blank">開關(guān)電路引起的輸入噪聲和電壓紋波。
• 輸出電容：推薦使用小型陶瓷X7R等級(jí)的輸出電容，其作用是在負(fù)載瞬態(tài)條件下存儲(chǔ)足夠能量以支持輸出電壓，并穩(wěn)定設(shè)備的內(nèi)部控制環(huán)路。最小輸出電容計(jì)算公式為 (C{OUT } (in mu F ) =25 / V{OUT }) ，需注意陶瓷電容的介電材料會(huì)因直流偏置電平而出現(xiàn)電容損耗，應(yīng)適當(dāng)降額使用。
• 軟啟動(dòng)電容：SS引腳不連接時(shí)，設(shè)備提供5.1ms的內(nèi)部軟啟動(dòng)；需要可調(diào)軟啟動(dòng)時(shí)間時(shí)，連接電容到SS引腳，最小軟啟動(dòng)時(shí)間與輸出電容和輸出電壓的關(guān)系為 (t{SS}>0.05 × C{OUT}) ，軟啟動(dòng)時(shí)間與連接在SS引腳的電容關(guān)系為 (C{SS}=6.25 × t{SS}) 。

輸入欠壓鎖定電平設(shè)置

可通過連接從IN到GND的電阻分壓器來設(shè)置設(shè)備開啟的電壓，選擇R1最大為3.3MΩ，R2的計(jì)算公式為 (R 2=frac{R 1 × 1.25}{left(V{INU }-1.25right)}) ，其中 (V{INU}) 是設(shè)備需要開啟的電壓。若EN/UVLO引腳由外部信號(hào)源驅(qū)動(dòng)，建議在信號(hào)源輸出和EN/UVLO引腳之間放置至少1kΩ的串聯(lián)電阻，以減少線路上的電壓振鈴。

輸出電壓調(diào)整

輸出電壓可在0.8V至0.9×VIN之間編程，通過連接從輸出到FB再到GND的電阻分壓器來設(shè)置。選擇R2在25kΩ至100kΩ之間，R1的計(jì)算公式為 (R 1=R 2 timesleft[frac{V_{OUT }}{0.8}-1right]) 。

瞬態(tài)保護(hù)

在電源啟動(dòng)或穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，若預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)快速線路瞬變或斜率超過15V/μs的振蕩，應(yīng)使用串聯(lián)電阻與輸入陶瓷電容形成低通濾波器來保護(hù)MAX17531，這些瞬變可能由熱插拔、電感負(fù)載切換或電源線上的浪涌引起。

功率損耗與結(jié)溫估算

功率損耗計(jì)算公式為 (P{LOSS }=left(P{OUT } timesleft(frac{1}{eta}-1right)right)-left(I{OUT }^{2} × R{D C R}right)) ，其中 (P{OUT }=V{OUT } × I{OUT }) ，(eta) 為功率轉(zhuǎn)換效率，(R{DCR}) 為輸出電感的直流電阻。結(jié)溫計(jì)算公式為 (T{J}=T{A}+left(theta{JA} × P{LOSS}right)) ，其中 (theta_{JA}) 是封裝的結(jié)到環(huán)境的熱阻。結(jié)溫超過 + 125°C會(huì)降低設(shè)備的使用壽命。

PCB布局指南

良好的PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)干凈穩(wěn)定的運(yùn)行至關(guān)重要。應(yīng)將輸入陶瓷電容盡可能靠近VIN和GND引腳，減小LX引腳和電感連接形成的面積以降低輻射EMI，確保所有反饋連接短而直接，將高速開關(guān)節(jié)點(diǎn)（LX）遠(yuǎn)離信號(hào)引腳。可參考MAX17531評(píng)估套件數(shù)據(jù)手冊(cè)中的示例PCB布局，以確保首次設(shè)計(jì)成功。

典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，包括5V、3.3V、1.8V和12V等不同輸出電壓的高效或小尺寸50mA穩(wěn)壓器電路，詳細(xì)說明了各元件的參數(shù)和型號(hào)，為工程師提供了實(shí)際設(shè)計(jì)的參考。

總之，MAX17531憑借其高效、小尺寸和豐富的功能特性，在工業(yè)傳感器、過程控制、高壓LDO替代、電池供電設(shè)備、HVAC和建筑控制等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。工程師在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇元件參數(shù)，優(yōu)化PCB布局，以充分發(fā)揮MAX17531的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用MAX17531的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。