MAX20037/MAX20038：汽車級高電流降壓轉換器的卓越之選

在當今的汽車電子領域，對于高性能、高可靠性的電源管理解決方案的需求日益增長。Analog Devices推出的MAX20037/MAX20038系列汽車級高電流降壓轉換器，集成了USB保護和主機充電器適配器仿真功能，為汽車USB主機應用提供了一站式解決方案。下面，我們就來深入了解一下這款產品。

文件下載：MAX20037.pdf

產品概述

MAX20037/MAX20038將3.5A（MAX20038A為1.5A）的汽車級降壓轉換器、USB主機充電器適配器仿真器和USB保護開關集成于一體。該系列還包含USB負載電流檢測放大器和可配置的反饋調整電路，能自動補償汽車應用中常見的固定電纜電壓降。此外，它還允許通過外部編程電阻和/或內部I2C寄存器進行靈活配置，適用于獨立和受監控應用。

關鍵特性與優勢

單芯片解決方案

• 寬輸入電壓范圍：支持4.5V至28V的輸入電壓，能承受40V的負載突降，可直接連接汽車電池為便攜式設備供電。
• 高輸出電流能力：具備5V、3.5A的輸出電流能力（MAX20038A為5V、1.5A），滿足多種設備的供電需求。
• 設備連接檢測輸出：方便系統監測設備連接狀態。
• 低功耗模式：具有低Q電流跳過和關斷模式，降低功耗。

低噪聲特性

• 寬頻率范圍：支持275kHz至2.2MHz的固定頻率操作，可根據應用需求優化效率、噪聲和電路板空間。
• 固定PWM選項：在無負載時提供固定PWM選項，減少噪聲干擾。
• 擴頻功能：采用擴頻技術降低EMI，避免對AM頻段和便攜式設備產生干擾。
• 同步輸入/輸出：支持頻率鎖定，方便與其他設備同步。

優化的USB電源和通信

• 電壓增益可調：用戶可通過編程調整電壓增益，補償高達600mΩ的電纜電阻，確保便攜式設備獲得穩定的電源。
• USB電流限制：支持用戶可編程的USB電流限制，保護設備安全。
• 高速數據開關：支持USB 480Mbps/12Mbps/1.5Mbps數據開關，滿足不同數據傳輸速率的需求。
• 多標準支持：集成iPod/iPhone/iPad和Samsung充電檢測終端電阻，支持USB BC1.2 CDP和DCP模式，以及中國YD/T 1591 - 2009標準，兼容USB On - the - Go規范。

穩健設計

• 短路保護：具備DC - DC轉換器引腳的短路到電池保護、USB引腳的短路到VBUS保護（MAX20037）和短路到電池保護（MAX20038）。
• ESD保護：符合±15kV空氣/±8kV接觸的ISO 10605和IEC 61000 - 4 - 2標準，有效防止靜電放電損壞。
• 軟啟動功能：采用軟啟動技術，減少浪涌電流，保護設備。
• 過溫保護：具備過溫保護功能，確保設備在高溫環境下正常工作。
• 寬工作溫度范圍：可在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內正常工作，適應惡劣的汽車環境。

電氣特性

電源和使能

• 電源電壓范圍：4.5V至28V，能承受40V的負載突降。
• 電源電流：在不同工作模式下，電源電流表現良好，如無負載跳過模式下為2.3mA，無負載FPWM模式下為32mA，待機模式下低至4μA。
• BIAS電壓：在5.75V ≤ VSUPSW ≤ 28V時，BIAS電壓為4.75V至5.25V。

USB開關

• 模擬信號范圍：通過RON測量保證0至3.6V的模擬信號范圍。
• 保護閾值：保護觸發閾值為3.65V至4.1V，響應時間為3μs。
• 導通電阻：不同型號的導通電阻有所差異，如MAX20037的導通電阻為2.5至4Ω，MAX20038為4至8Ω。

電流檢測放大器

• 反饋調整增益：VSENSP - VSENSN = 80mV時，反饋調整增益為19.4V/V。
• 過流閾值：可通過ILIM[2:0]位進行配置，提供多種過流閾值選項。

同步降壓DC - DC轉換器

• PWM輸出電壓：在8V < VSUPSW ≤ 18V且無負載時，PWM輸出電壓為5.1V。
• 開關頻率：可通過內部振蕩器或外部時鐘進行配置，支持275kHz至2.2MHz的開關頻率。
• 電流限制：具備固定的內部峰值電流閾值和用戶可編程的外部USB負載電流檢測放大器閾值，確保USB負載電流在安全范圍內。

應用電路與設計考慮

典型工作電路

MAX20037/MAX20038的典型工作電路展示了其在汽車USB主機應用中的連接方式。電路中包含了必要的電容、電阻和電感等元件，以確保轉換器的穩定工作。例如，在SUPSW引腳需要連接10μF陶瓷電容和0.1μF電容，以減少電源紋波；在BIAS引腳需要連接1μF陶瓷電容，為內部電路提供穩定的電源。

電源上電順序

正確的電源上電順序對于設備的正常工作至關重要。在MAX20037/MAX20038中，IN引腳必須在HVEN引腳之前或同時設置為3.3V，以確保USB通信正常。如果在連接USB設備的情況下，在HVEN引腳之后為IN引腳供電，可能會導致USB通信失敗。

降壓DC - DC調節器

• 寬輸入電壓范圍：該調節器支持4.5V至28V的輸入電壓，在冷啟動等情況下，能以高占空比模式工作，確保輸出電壓穩定。
• 最大占空比操作：最大占空比可達98%（典型值），通過監測低側FET的關斷時間，確保在不同輸入電壓和負載條件下的穩定工作。
• 輸出電壓設置：通過連接到SENSP的精密內部反饋網絡，可將DC - DC轉換器的輸出電壓設置為5.1V（默認值）。
• 軟啟動功能：在DC - DC轉換器啟用時，輸出電壓從0逐漸上升到5.15V，約需4ms，有效減少啟動時的浪涌電流。
• 重置行為：當DC - DC轉換器因任何原因禁用時（除SENSN過壓情況外），會對SENSN進行放電，并啟動重置定時器，確保與USB規范兼容。
• 開關頻率配置：可通過內部振蕩器或外部時鐘在SYNC引腳進行配置，支持275kHz至2.2MHz的離散頻率值。
• 開關頻率同步：當SYNC引腳配置為輸出時，可禁止跳過模式操作，并將內部振蕩器頻率輸出，使其他設備與之同步；當配置為輸入時，可用于選擇操作模式和控制頻率。
• 強制PWM操作：在FPWM模式下，設備在所有負載條件下保持固定頻率的PWM操作，包括無負載情況。
• 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邏輯高電平時，設備在輕負載/無負載條件下進入跳過模式。當檢測到設備連接時，自動切換到FPWM模式，減少EMI干擾。
• 擴頻選項：通過SETUP_1寄存器的SS_EN位啟用擴頻操作，可將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%，提高EMI性能。
• 電流限制：通過固定的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限制USB負載電流，保護DC - DC轉換器。
• 輸出短路保護：DC - DC轉換器輸出（SENSP、SENSN）具備短路到地和短路到電池的保護功能，遇到短路情況時會立即重置，并嘗試重新啟動。
• 熱過載保護：通過熱保護電路監測芯片溫度，當溫度超過 + 175°C時，設備關閉，冷卻15°C后重新啟用，確保設備在過熱情況下的安全。
• 預熱過載警告：I2C變體具備熱過載警告功能，當芯片溫度超過 + 145°C時，設置ERROR_1寄存器的T_WARN位，提醒系統軟件采取熱降額/負載 shedding措施。
• 保持模式：啟用保持模式后，設備在內部定時器期間保留附件電源，定時器到期后進入低Q關斷模式。

USB電流限制和輸出電壓調整

• 電流檢測放大器：通過內部USB負載電流檢測放大器監測USB端口的DC負載電流，使用33mΩ的檢測電阻（RSENSE）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，提供八個離散的DC電流限制值；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：支持對高達600mΩ的USB電纜進行電壓降補償。I2C變體可通過SETUP_2寄存器的GAIN[4:0]位進行配置；獨立變體可通過CONFIG2和CONFIG3電阻進行配置。
• 高壓模式配置：I2C變體支持高輸出電壓模式配置，適用于更高功率充電應用和負載突降保護的電池輸出到汽車模塊。

USB保護開關和主機充電器適配器仿真

• HVD + 和HVD - 保護：為高集成多媒體處理器的低壓內部USB數據線提供汽車級ESD和短路保護。MAX20037需要外部ESD二極管，可保護HVD + 和HVD - 引腳至±15kV空氣間隙/±8kV接觸放電；MAX20038無需外部ESD陣列，同樣具備高ESD保護能力。
• 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Apple兼容設備的1.0A和2.4A電阻偏置選項，還支持Legacy Samsung Galaxy 1.2V分壓器和中國YD/T 1591 - 2009標準。
• HVD + 和HVD - 操作模式：具備四種離散操作模式，I2C變體可通過SETUP_3寄存器的CD[1:0]位選擇所有四種模式；獨立變體可通過CDP/DCP引腳選擇兩種模式。
• USB On - The - Go和雙角色應用：MAX20037和MAX20038完全兼容USB On - The - Go和雙角色應用，但在選擇IC變體時需要注意與具體雙角色應用的兼容性。

控制和診斷

• I2C配置：I2C變體可通過靠近接地的CONFIG1引腳的電阻進行基本設備配置，啟動時將相關配置參數加載到I2C寄存器中。CONFIG1還設置DC - DC擴頻使能位（SS_EN）、SYNC方向控制位（SYNC_DIR）和I2C從地址的LSB。
• 獨立配置：獨立變體可通過三個CONFIG引腳和接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/禁用保持模式功能和電壓增益配置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。FAULT輸出在故障條件持續時保持斷言狀態。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寄存器允許選擇I2C中斷引腳（INT）的斷言標準。
• 故障輸出引腳（FAULT）：采用內部消抖和故障消隱定時器，避免誤報FAULT信號，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，ATTACH引腳可作為GPIO輸入到微處理器或驅動LED進行連接/充電指示；對于I2C變體，作為中斷引腳（INT）使用。

I2C接口

• 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，允許FAULT引腳連接到集線器控制器或SoC的過流故障輸入，同時I2C接口用于高級診斷功能。
• 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，測量完成后清除該位并設置ERROR_2寄存器的ADC_DONE位。還可設置IV_INT位觸發中斷，測量結果可從USB_V和USB_I寄存器讀取。
• I2C接口規范：采用I2C 2線串行接口，包括串行數據線（SDA）和串行時鐘線（SCL），支持高達400kHz的時鐘速率。主設備通過發送正確的地址和數據字與IC進行通信，每個傳輸序列由START或Repeated START條件和STOP條件框定。
• 位傳輸：每個SCL周期傳輸一個數據位，SDA數據在SCL脈沖的高電平期間必須保持穩定。
• STOP和START條件：主設備通過發出START條件啟動通信，通過發出STOP條件終止傳輸。
• 早期STOP條件：IC在數據傳輸過程中任何時候都能識別STOP條件，但在與START條件相同的高脈沖中除外。
• 時鐘拉伸：IC不使用時鐘拉伸來控制時鐘線。
• I2C通用調用地址：IC不實現I2C規范的“通用調用地址”。
• 從地址：設備啟用后，I2C從地址由CONFIG1引腳設置，地址由7個最高有效位（MSB）和R/W位組成。
• 確認：設備通過在主設備生成的第9個時鐘脈沖期間拉低SDA來確認每個字節的數據接收，監測ACK可檢測數據傳輸是否成功。

寄存器映射

I2C變體可通過11個8位寄存器全面控制設備功能。獨立變體從CONFIG1 - CONFIG3引腳的電阻預加載SETUP_寄存器。

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電阻進行類似的頻率選擇。設備可通過將外部時鐘連接到SYNC引腳與其他設備同步，也可配置SYNC引腳輸出內部時鐘，作為主時鐘。選擇開關頻率時需要考慮效率、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

輸入電容可減少從上游電源吸取的峰值電流，是輸入電壓紋波的決定因素。根據公式計算輸入電容的RMS電流要求，選擇自熱溫度上升小于10°C的輸入電容。使用低ESR陶瓷電容可降低輸入電壓紋波，可通過相關公式估算輸入電壓紋波。在SUPSW引腳附近使用10μF陶瓷電容和47μF大容量電解電容，以減少EMI和抑制線路瞬變。

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。輸出濾波電容決定輸出電壓紋波、負載瞬態響應和轉換器的穩定性裕度。為確保穩定性和符合USB和Apple規范，應遵循推薦的輸出濾波器。

DC - DC電感選擇

選擇電感時需要考慮電感值（L）、飽和電流（ISAT）和直流電阻（RDCR）三個關鍵參數。首先選擇電感峰 - 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。根據公式計算電感值，并確保電感的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

正確的PCB布局對于系統性能至關重要。應盡量減小DC - DC轉換電路的電流環路面積和寄生參數，以減少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，將暴露焊盤連接到接地，并在焊盤上放置多個過孔以連接到其他接地層，以實現良好的散熱。USB走線應作為90Ω差分對進行布線，避免靠近時鐘和高頻開關節點，盡量減少走線長度，避免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GND的標稱電纜電阻（包括公差），并考慮溫度對電阻的影響。典型應用中，USB電纜的BUS電阻為200mΩ，接地路徑電阻匹配，負載電流為2A時，電纜遠端的電壓降為800mV，需要IC的電壓調整電路增加輸出電壓以符合USB和Apple規范。

USB負載

MAX20037/MAX20038兼容USB合規和非合規負載。合規USB設備