MAX20037/MAX20038：汽車高電流降壓轉換器的卓越之選

在汽車電子領域，對于高功率USB端口的需求日益增長，這就要求相關的轉換器具備高性能、高可靠性和高安全性。Maxim Integrated推出的MAX20037/MAX20038汽車高電流降壓轉換器，正好滿足了這些需求。今天，我們就來深入了解一下這款產品。

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產品概述

MAX20037/MAX20038將5V/3.5A汽車級降壓轉換器、USB主機充電器適配器仿真器和USB保護開關集成于一體。它有獨立/GPIO和I2C兩種配置和控制選項，適用于汽車收音機、導航、連接、USB集線器和專用充電等應用。

產品特性

高集成度單芯片解決方案

它能直接從汽車電池為便攜式設備供電，輸入電壓范圍為4.5V至28V，能承受40V的負載突降，輸出電流能力達5V、3.5A。還具備設備連接檢測輸出、低Q電流跳過和關斷模式等功能。

低噪聲設計

采用固定頻率275kHz至2.2MHz運行，有固定PWM選項，具備擴頻功能以降低EMI，還有SYNC輸入/輸出用于頻率鎖定，有效防止對AM頻段和便攜式設備的干擾。

優化的USB電源和通信

用戶可編程電壓增益可針對高達600mΩ的電纜電阻調整輸出，可編程USB電流限制，支持USB 480Mbps/12Mbps/1.5Mbps數據開關，集成了iPod/iPhone/iPad和三星充電檢測終端電阻，支持USB BC1.2 CDP和DCP模式，符合中國YD/T 1591 - 2009標準，兼容USB On - the - Go規范。

穩健設計

具備對DC - DC轉換器引腳的短路到電池保護、USB引腳的短路到VBUS（MAX20037）和短路到電池（MAX20038）保護，±15kV空氣/±8kV接觸的ESD保護（ISO 10605和IEC 61000 - 4 - 2），軟啟動可降低浪涌電流，還有過溫保護，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C。

電氣特性

電源和使能

電源電壓范圍為4.5V至28V，負載突降事件時電源電壓范圍可達40V。不同工作模式下的電源電流有所不同，如無負載跳過模式為2.3mA，無負載FPWM模式為32mA等。

USB開關

模擬信號范圍為0至3.6V，保護跳閘閾值為3.65至4.1V，保護響應時間為3μs等。不同型號（MAX20037和MAX20038）在導通電阻、泄漏電流等參數上有所差異。

電流檢測放大器

反饋調整增益、輸出電壓精度、過流閾值等都有明確的參數范圍，可根據ILIM[2:0]的不同設置來調整過流閾值。

其他特性

如同步降壓DC - DC轉換器的PWM輸出電壓、負載調節、擴頻范圍等，振蕩器的內部振蕩頻率、降壓振蕩器頻率等，ADC的分辨率、偏移誤差和增益誤差等。

引腳配置與功能

MAX20037/MAX20038采用28引腳TQFN或SWTQFN封裝，各引腳功能明確。例如，AGND為模擬地，HVD - 和HVD + 為受保護的USB差分數據輸出，SHIELD為USB captive - cable屏蔽輸入等。每個引腳都在整個系統中發揮著重要作用，合理的引腳布局和連接對于產品的性能至關重要。

工作原理與模式

上電和使能

• 系統使能（HVEN）：作為設備的主要使能信號，啟動系統啟動和配置。當HVEN為低電平時，若系統未配置為保持操作，SUPSW功耗降低，設備進入待機低靜態電流狀態。
• DC - DC使能（ENBUCK）：對于獨立變體，由ENBUCK引腳控制降壓調節器；對于I2C變體，由ENBUCK引腳和I2C接口共同控制。
• 3.3V輸入（IN）：用于在HVD + 和HVD - 引腳發生ESD和短路到總線/電池事件時鉗位D + 和D - 引腳，保護下游USB收發器。
• 線性調節器輸出（BIAS和DRV）：BIAS是5V線性調節器的輸出，為設備的內部邏輯和控制電路供電；DRV為DC - DC轉換器的高低側MOSFET驅動器供電。

降壓DC - DC調節器

• 降壓調節器：采用電流模式降壓轉換器，集成高低側MOSFET，輕載時低側MOSFET可實現固定頻率、強制PWM（FPWM）操作。輸入電壓范圍為4.5V至28V，無負載時僅消耗4μA（典型值）。
• 寬輸入電壓范圍：能適應4.5V至28V的寬輸入電壓范圍，在冷啟動等情況下可工作在高占空比模式，減少輸入到輸出的壓降。
• 最大占空比操作：最大占空比為98%（典型值），通過監測低側FET的關斷時間來調整工作狀態。
• 輸出電壓：通過連接到SENSP的精密內部反饋網絡設置DC - DC轉換器的輸出電壓，默認輸出電壓為5.1V。
• 軟啟動：DC - DC轉換器啟用時，輸出電壓在約4ms內從0逐漸升至5.15V，減少啟動時的浪涌電流。
• 復位行為：當DC - DC轉換器因任何原因禁用時（除SENSN過壓情況），會在SENSN上執行放電功能，并啟動復位定時器。

開關頻率配置與同步

• 配置方式：DC - DC開關頻率可由內部振蕩器或SYNC引腳的外部時鐘配置，SYNC引腳可配置為輸入或輸出。內部振蕩器頻率由SETUP_2寄存器的FSW[2:0]位設置，有8個離散值可供選擇，范圍從275kHz到2.2MHz。
• 同步功能：當SYNC配置為輸出時，禁止跳過模式操作，內部振蕩器頻率從SYNC引腳輸出，可使其他設備與MAX20037/MAX20038同步；當SYNC配置為輸入時，可用于操作模式選擇和頻率控制。

強制PWM（FPWM）操作

在FPWM模式下，設備在所有負載條件（包括無負載條件）下保持固定頻率PWM操作。

智能跳過模式操作和設備連接檢測

當SYNC引腳配置為輸入且無時鐘信號或高電平信號時，設備在輕載/無負載條件下進入跳過模式。當檢測到設備連接到USB端口時，設備智能退出跳過模式并進入FPWM模式，同時通過ATTACH引腳或ATTACH位發出設備連接事件信號。

擴頻選項

通過SETUP_1寄存器的SS_EN位啟用擴頻操作，內部工作頻率相對于內部生成的工作頻率調制±3.25%，總擴頻范圍為6.5%，僅在使用內部振蕩器時有效。

電流限制

通過DC - DC轉換器的固定內部峰值電流閾值和用戶可編程的外部DC負載電流檢測放大器閾值來限制USB負載電流，可根據應用需求將電流限制調整在300mA至3A之間。

輸出短路保護

DC - DC轉換器輸出（SENSP，SENSN）對短路到地和短路到電池的情況都有保護。遇到短路到地或欠壓情況時，轉換器立即復位；遇到短路到電池情況時，設備停止開關操作。

熱過載保護

熱過載保護可限制設備的總功耗，當芯片溫度超過 + 175°C時，設備關閉；溫度下降15°C后重新啟用。I2C變體還有預熱過載警告功能，當芯片溫度超過 + 145°C時，設置ERROR_1寄存器的T_WARN位。

保持模式

啟用保持模式時，設備在內部定時器期間保留附件電源。定時器從HVEN變低且保持模式啟用時開始，定時器到期后，設備進入低Q關斷模式。

USB電流限制和輸出電壓調整

• 電流檢測放大器：內部USB負載電流檢測放大器通過檢測VSENSP - VSENSN的電壓來監測USB端口的DC負載電流，提供精確的DC電流限制和電壓補償功能。
• USB DC電流限制配置：I2C變體可通過SETUP_4寄存器的ILIM[2:0]位配置精確的DC電流限制；獨立變體可通過CONFIG3電阻選擇部分電流限制選項。
• 電壓反饋調整配置：可對典型USB充電應用中高達600mΩ的USB電纜進行電壓降補償。I2C變體通過SETUP_2寄存器的GAIN[4:0]位配置；獨立變體通過CONFIG2和CONFIG3電阻配置。

USB保護開關和主機充電器適配器仿真

• HVD + 和HVD - 保護：為高集成度多媒體處理器的低電壓內部USB數據線提供汽車級ESD和短路保護。MAX20037需要外部ESD二極管，而MAX20038不需要。
• USB主機適配器仿真：集成了最新的USB - IF電池充電規范修訂版1.2 CDP和DCP電路，以及適用于蘋果兼容設備的1.0A和2.4A電阻偏置選項，還提供了與舊版三星Galaxy 1.2V分壓器和中國YD/T 1591 - 2009的兼容性。
• HVD + 和HVD - 操作模式：有四種離散操作模式，I2C變體通過SETUP_3寄存器的CD[1:0]位選擇；獨立變體通過CDP/DCP引腳選擇。

控制和診斷

• I2C配置：I2C變體可通過靠近地的CONFIG1引腳的電阻進行基本設備配置，啟動時將配置參數加載到相應的I2C寄存器中。
• 獨立配置：獨立變體通過三個CONFIG引腳和地之間的電阻進行全設備配置，CONFIG1設置內部振蕩器開關頻率、SYNC引腳方向和DC - DC擴頻模式；CONFIG2設置電壓增益配置GAIN[3:0]的四個LSB；CONFIG3設置USB DC電流限制、啟用/禁用保持模式功能并設置電壓增益配置GAIN[4]的MSB。
• 故障檢測和I2C診斷：具備先進的設備保護功能，自動處理和恢復故障。I2C變體的ERROR_1/ERROR_2寄存器提供故障源的詳細信息，IRQMASK_0/IRQMASK_1寄存器可選擇I2C中斷引腳（INT）的斷言標準。
• 故障輸出引腳（FAULT）：為開漏、低電平有效輸出，采用內部消毛刺和故障消隱定時器，避免誤報故障，可直接連接到集線器控制器或SoC的過流故障輸入。
• 連接輸出引腳（ATTACH）：對于獨立變體，作為連接檢測引腳；對于I2C變體，作為中斷引腳。
• I2C診斷和事件處理：I2C變體的基于I2C的診斷功能獨立于FAULT引腳，IRQMASK寄存器功能僅影響INT引腳與相應ERROR寄存器位的行為。
• I2C輸出電壓和電流測量：I2C變體可測量瞬時SENSP電壓和DC輸出電流，通過設置SETUP_4寄存器的IV_READ位啟動測量，測量完成后可從USB_V和USB_I寄存器讀取結果。
• I2C接口規范：采用I2C 2線串行接口，由SDA和SCL線組成，時鐘速率最高可達400kHz。主設備通過發送正確的地址和數據字與設備通信，每個傳輸序列由START或Repeated START條件和STOP條件框定。

應用信息

DC - DC開關頻率配置和同步

I2C變體可通過SETUP_2寄存器進行數字編程開關頻率；獨立版本可通過CONFIG1電阻選擇頻率。設備可通過SYNC引腳與其他設備同步，也可將SYNC引腳配置為輸出內部時鐘。選擇開關頻率時需考慮效率、組件選擇、熱性能和EMI等因素，不建議在500kHz至1.8MHz之間操作以避免AM頻段干擾。

DC - DC輸入電容選擇

輸入電容可降低從上游電源吸取的峰值電流，其RMS電流要求由公式 (I{RMS }=I{LOAD(MAX) } frac{sqrt{V{SENSP }left(V{SUPSW }-V{SENSP }right)}}{V{SUPPSW }}) 定義，選擇時應確保在RMS電流下自熱溫度上升小于10°C。輸入電壓紋波可通過相關公式估算，建議使用低ESR陶瓷電容。

DC - DC輸出電容選擇

最小所需輸出電容取決于最大工作輸出電壓、最大設備電流能力和誤差放大器電壓增益。為確保穩定性和符合USB和蘋果規范，應遵循推薦的輸出濾波器，根據不同的開關頻率選擇合適的電容組合。

DC - DC電感選擇

選擇電感時需考慮電感值（L）、飽和電流（ISAT）和直流電阻（RDCR）。可先選擇電感峰 - 峰交流電流與直流平均電流的比率（LIR），一般選擇35%的LIR作為折衷方案，再根據公式 (L=frac{V{SENSP } timesleft(V{SUPSW }-V{SENSP }right)}{V{SUPSW } × f{SW } × I{OUT } × LIR }) 確定電感值。同時要確保電感的ISAT在所有工作條件下都遠高于降壓轉換器的逐周期峰值電流限制。

布局考慮

合理的PCB布局對系統性能至關重要。應盡量減小DC - DC轉換電路的電流環路面積和寄生參數以降低EMI，將輸入電容、功率電感和輸出電容盡可能靠近IC放置，優先選擇較短的走線。輸入和輸出電容之間需要低阻抗接地連接，將暴露焊盤連接到地，并在焊盤上放置多個過孔以連接到其他接地層。USB走線應作為90Ω差分對布線，避免靠近時鐘和高頻開關節點，盡量減少走線長度、90°轉彎、過多過孔和RF短截線。

確定USB系統要求

需要從電纜制造商處確定USB電源線（BUS）和返回地（GND）的標稱電纜電阻（含公差），并考慮溫度對電阻的影響。典型應用中，當負載電流為2A時， captive電纜遠端的電壓降為800mV，此時需要IC的電壓調整電路增加輸出電壓以符合USB和蘋果規范。

USB負載

該IC兼容USB合規和非合規負載。合規USB設備初始連接到端口時，吸收電流不超過30mA，電容不超過10μF；完成連接過程后，可拉取100mA/150mA電流，電容不超過10μF。對于非合規USB負載，IC也能支持熱插入和軟啟動到2Ω||330μF的USB負載。

USB輸出電流限制

通過內部電流檢測放大器監測RSENSE兩端的電壓來監控USB負載電流，IC提供數字可調的USB電流限制閾值，可根據需要選擇合適的寄存器或電阻值。

USB電壓調整

DC - DC輸出電壓隨RSENSE兩端電壓的增加而線性增加，增益由GAIN[4:0]寄存器值決定。理想的增益位權重可通過公式 (GAIN =R{CABLE }+RSENSE +R{PCB}+R_{LR}) 計算，選擇最接近理想增益的寄存器設置。當VSENSE超過閾值時，設備有最大允許電壓調整量，超過該閾值后，輸出電壓將根據負載調節規范下降。

選擇電流檢測電阻

外部電流檢測電阻（RSENSE）對于精確的電流限制、電壓調整、連接檢測和ADC測量至關重要。建議使用精確值為33mΩ的電阻，因為改變該值會影響電流限制閾值、電壓調整補償和連接閾值，需要相應調整寄存器和電阻表中的規格。

遠程電纜感應（屏蔽功能）

IC能夠根據電纜電阻自動設置所需的電壓調整，可通過將電纜屏蔽連接到遠程地，再連接到IC的SHIELD引腳，或使用額外的SENSE線連接到遠程地來實現。使用屏蔽功能時，需要通過GAIN[4:0]寄存器設置額外的電壓調整，理想的GAIN位權重應補償降壓轉換器的負載調節、PCB電阻以及電纜VBUS和GND電阻的差異。SHIELD引腳信號需要進行帶寬限制，若需要超過絕對最大額定值的過壓保護，應使用外部鉗位。

調諧USB數據線

USB HS模式需要精心的PCB布局，采用90Ω受控差分阻抗匹配的等長走線，無短截線或測試點。對于低電壓、高帶寬的MAX20037變體，調諧組件可能不是必需的；但對于高電壓的MAX20038變體，建議在PCB設計中包含允許安裝LC組件的焊盤，以便后續進行調諧。調諧組件應盡可能靠近設備的數據引腳，放置在與設備同一層的PCB上。

USB數據線共模扼流圈放置

大多數汽車應用使用USB優化的共模扼流圈來減輕進出模塊的EMI信號，最佳放置位置是模塊的USB連接器處，但它不能替代前面提到的調諧電感。

ESD保護

高電壓的MAX20038變體不需要外部ESD保護，而低電壓的MAX20037變體需要外部ESD保護二極管。所有Maxim設備都集成了ESD保護結構，能在ESD事件后繼續正常工作，避免閂鎖。在典型工作電路配置下，IC的ESD保護能力可達±15kV ISO 10605空氣間隙、±8kV ISO