MAX17504：高效同步降壓DC - DC轉換器的設計與應用

一、引言

在電子設備的電源設計中，DC - DC轉換器是至關重要的組件，它能將輸入電壓轉換為合適的輸出電壓，為設備提供穩定的電源。今天要介紹的MAX17504/MAX17504S就是一款高性能的同步降壓DC - DC轉換器，它具有寬輸入電壓范圍、高輸出電流能力和多種工作模式等優點，適用于多種工業和通用電源應用場景。

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二、產品概述

2.1 基本特性

MAX17504/MAX17504S是一款高效、高壓的同步整流降壓轉換器，集成了雙MOSFET，可在4.5V至60V的輸入電壓范圍內工作，能提供高達3.5A的輸出電流，輸出電壓范圍為0.9V至90%VIN。內置的補償功能覆蓋了整個輸出電壓范圍，無需外部補償組件。在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內，反饋（FB）調節精度為±1.1%。其采用緊湊的5mm x 5mm TQFN無鉛封裝，帶有外露焊盤，并且提供仿真模型。

2.2 工作模式

它具有峰值電流模式控制架構，通過MODE引腳可選擇脈沖寬度調制（PWM）、脈沖頻率調制（PFM）或不連續模式（DCM）控制方案：

• PWM模式：在所有負載下提供恒定頻率操作，適用于對開關頻率敏感的應用，但在輕載時效率較低。
• PFM模式：禁用負電感電流，并在輕載時跳過脈沖以提高效率，但輸出電壓紋波較大，輕載時開關頻率不恒定。
• DCM模式：在輕載下具有恒定頻率操作，不跳過脈沖，僅禁用負電感電流，效率介于PWM和PFM模式之間。其中，MAX17504S提供更低的最小導通時間，允許更高的開關頻率和更小的解決方案尺寸。

2.3 其他特性

該產品還具有可編程軟啟動功能，可降低輸入浪涌電流；集成了輸出使能/欠壓鎖定引腳（EN/UVLO），可在所需的輸入電壓水平下開啟器件；開漏RESET引腳在輸出電壓成功調節后向系統提供延遲的電源正常信號。

三、電氣特性

3.1 絕對最大額定值

在使用MAX17504時，需要注意其絕對最大額定值，如VIN到PGND的電壓范圍為 - 0.3V至 + 65V等，超過這些額定值可能會對器件造成永久性損壞。

3.2 電氣參數

在特定的測試條件下（如VIN = VENUVLO = 24V，RRT = 40.2kΩ等），該器件具有一系列電氣參數。例如，輸入電壓范圍為4.5V至60V，輸入關斷電流在不同條件下有不同的值；EN/UVLO引腳的閾值在上升和下降時有特定的電壓范圍；LDO輸出電壓范圍在不同負載電流下也有相應規定等。

四、典型工作特性

4.1 效率與負載電流關系

從典型工作特性曲線可以看出，在不同的輸入電壓、輸出電壓和工作模式下，效率與負載電流呈現不同的關系。例如，在PWM模式下，隨著負載電流的增加，效率會先上升后趨于穩定；在PFM模式下，輕載時效率較高。這有助于工程師根據實際負載情況選擇合適的工作模式，以提高電源效率。

4.2 負載和線性調節

負載和線性調節特性展示了輸出電壓隨負載電流和輸入電壓變化的情況。通過這些曲線，工程師可以評估在不同輸入電壓和負載電流下，輸出電壓的穩定性，從而確保設備在各種工作條件下都能獲得穩定的電源供應。

五、引腳配置與功能

5.1 引腳配置

MAX17504采用20引腳的TQFN封裝，各引腳具有不同的功能。例如，VIN引腳為電源輸入，EN/UVLO引腳用于使能/欠壓鎖定，RESET引腳為開漏輸出，用于監控輸出電壓等。

5.2 引腳功能詳解

• VIN引腳：需要將多個VIN引腳連接在一起，并使用兩個2.2uF的電容與PGND進行去耦，以提供穩定的輸入電源。
• EN/UVLO引腳：通過連接到Vin和SGND之間的電阻分壓器的中心節點，可以設置器件開啟的輸入電壓。
• RESET引腳：當FB電壓下降到設定值的92%以下時，RESET輸出低電平；當FB電壓上升到設定值的95%以上1024個時鐘周期后，RESET輸出高電平。

六、詳細工作原理

6.1 控制架構

MAX17504采用峰值電流模式控制架構。內部跨導誤差放大器在內部節點產生積分誤差電壓，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MOSFET導通，直到達到適當或最大占空比，或者檢測到峰值電流限制。

6.2 模式選擇

MODE引腳的邏輯狀態在VCC和EN/UVLO電壓超過各自的UVLO上升閾值且所有內部電壓準備好允許LX開關時被鎖存。在不同的MODE引腳連接方式下，器件可工作在不同的模式：

• PFM模式：上電時MODE引腳開路，輕載時工作在PFM模式，通過禁用負電感電流和跳過脈沖來提高效率。
• PWM模式：上電時MODE引腳接地，所有負載下工作在恒定頻率PWM模式。
• DCM模式：上電時MODE引腳連接到VCC，輕載時工作在恒定頻率DCM模式。

6.3 其他特性工作原理

• 過流保護/HICCUP模式：具有逐周期峰值電流限制和失控電流限制，當出現過流情況時會觸發HICCUP模式，即在32,768個時鐘周期內暫停開關，然后嘗試再次軟啟動。
• RESET輸出：通過RESET比較器監控輸出電壓，當輸出電壓達到一定條件時，RESET引腳輸出相應的電平信號。
• 熱關斷保護：當器件的結溫超過 + 165°C時，片上熱傳感器會關閉器件，結溫下降10°C后再次開啟，軟啟動在熱關斷期間會重置。

七、應用信息

7.1 組件選擇

• 輸入電容：輸入濾波電容可減少從電源吸取的峰值電流和輸入電壓紋波。根據公式計算輸入電容的RMS電流和電容值，選擇低ESR、高紋波電流能力的陶瓷電容，如X7R電容。在源與器件輸入距離較遠時，需并聯電解電容以提供必要的阻尼。
• 電感：需要確定電感值、飽和電流和直流電阻。根據開關頻率和輸出電壓計算電感值，選擇接近計算值、低損耗、低直流電阻且飽和電流大于峰值電流限制值的電感。
• 輸出電容：優先選擇X7R陶瓷輸出電容，根據負載電流階躍、響應時間、允許的輸出電壓偏差等參數計算最小輸出電容值。同時要考慮陶瓷電容的直流電壓降額。
• 軟啟動電容：通過連接從SS引腳到SGND的電容來編程軟啟動時間，根據輸出電容和輸出電壓確定最小軟啟動電容值。

7.2 參數設置

• 設置輸入欠壓鎖定電平：通過連接從VIN到SGND的電阻分壓器，將分壓器的中心節點連接到EN/UVLO引腳，可設置器件開啟的電壓。
• 調整輸出電壓：使用從輸出電容正端到SGND的電阻分壓器，將分壓器的中心節點連接到FB引腳，根據公式計算電阻值來設置輸出電壓。

7.3 功率損耗與熱管理

根據公式計算功率損耗，通過熱阻參數和環境溫度估算結溫。為避免熱關斷的誤觸發，需仔細評估總功率損耗。

7.4 PCB布局指南

PCB布局對器件的性能和可靠性有重要影響。所有承載脈沖電流的連接應盡可能短且寬，以減少電感；輸入濾波電容和VCC旁路電容應靠近IC引腳；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；在器件的外露焊盤下方提供多個熱過孔以提高散熱效率。

八、總結

MAX17504/MAX17504S是一款功能強大、性能優越的同步降壓DC - DC轉換器，具有寬輸入電壓范圍、高輸出電流能力、多種工作模式和豐富的保護功能。在實際應用中，工程師需要根據具體的設計需求，合理選擇組件、設置參數，并注意PCB布局和熱管理，以充分發揮該器件的優勢，為電子設備提供穩定、高效的電源解決方案。大家在使用過程中遇到任何問題，歡迎一起交流探討。