MAX17550：高效同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC - DC轉(zhuǎn)換器是實(shí)現(xiàn)電源管理的關(guān)鍵組件。今天，我們要深入探討的是Maxim Integrated推出的MAX17550，一款高性能的同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，它在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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一、產(chǎn)品概述

MAX17550是一款集成MOSFET的高效、高壓同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍為4V至60V，能夠提供高達(dá)25mA的輸出電流，輸出電壓可在0.8V至0.9 x VIN之間調(diào)節(jié)。在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內(nèi)，反饋（FB）電壓的精度可達(dá)±1.75%。該器件采用峰值電流模式控制，支持脈沖寬度調(diào)制（PWM）和脈沖頻率調(diào)制（PFM）兩種工作模式。它提供10引腳（3mm x 2mm）TDFN和10引腳（3mm x 3mm）μMAX?兩種封裝形式，并且還提供仿真模型，方便工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

1. 工業(yè)傳感器和過程控制

在工業(yè)環(huán)境中，需要穩(wěn)定可靠的電源來驅(qū)動(dòng)各種傳感器和執(zhí)行器。MAX17550的寬輸入電壓范圍和高精度輸出能夠滿足工業(yè)傳感器對(duì)電源的嚴(yán)格要求，確保傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和處理。

2. 高壓LDO替代

傳統(tǒng)的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）在高壓輸入時(shí)效率較低，而MAX17550具有較高的轉(zhuǎn)換效率，能夠有效降低功耗，提高系統(tǒng)的整體效率。

3. 電池供電設(shè)備

對(duì)于電池供電的設(shè)備，如便攜式儀器、無線傳感器節(jié)點(diǎn)等，低功耗是關(guān)鍵因素。MAX17550在PFM模式下僅消耗22μA的無負(fù)載電源電流，能夠顯著延長(zhǎng)電池的使用壽命。

4. HVAC和建筑控制

在暖通空調(diào)（HVAC）和建筑控制系統(tǒng)中，需要對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行電源管理。MAX17550的小尺寸和高集成度使其能夠輕松集成到這些系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)高效的電源轉(zhuǎn)換。

三、優(yōu)勢(shì)與特性

1. 減少外部組件和總成本

• 采用同步整流技術(shù)，無需肖特基二極管，減少了外部組件的數(shù)量。
• 內(nèi)部補(bǔ)償適用于任何輸出電壓，無需額外的補(bǔ)償電路。
• 內(nèi)置軟啟動(dòng)功能，可避免啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊。
• 支持全陶瓷電容，實(shí)現(xiàn)緊湊的布局設(shè)計(jì)。

  2. 減少DC - DC穩(wěn)壓器的庫(kù)存

• 寬4V至60V的輸入電壓范圍，適用于多種電源應(yīng)用。
• 可調(diào)0.8V至0.9 x VIN的輸出電壓，滿足不同負(fù)載的需求。
• 100kHz至2.2MHz的可調(diào)開關(guān)頻率，并支持外部同步，可根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行靈活配置。

  3. 降低功耗

• 22μA的靜態(tài)電流和峰值效率 > 90%，在輕負(fù)載時(shí)能夠有效降低功耗。
• PFM模式可進(jìn)一步提高輕負(fù)載效率，減少不必要的能量損耗。
• 1.2μA的關(guān)斷電流，在系統(tǒng)不工作時(shí)能夠?qū)⒐慕抵磷畹汀?

  4. 在惡劣環(huán)境下可靠運(yùn)行

• 具有峰值電流限制保護(hù)功能，可防止電感峰值電流過大，保護(hù)器件免受損壞。
• 內(nèi)置輸出電壓監(jiān)控復(fù)位功能，當(dāng)FB電壓低于設(shè)定值的92%時(shí)，RESET引腳拉低，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 可編程的EN/UVLO閾值，可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置輸入欠壓鎖定點(diǎn)。
• 能夠在預(yù)偏置負(fù)載下實(shí)現(xiàn)單調(diào)啟動(dòng)，避免啟動(dòng)時(shí)的電壓波動(dòng)。
• 具備過溫保護(hù)功能，當(dāng)結(jié)溫超過 + 160°C時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉器件，防止過熱損壞。
• 工業(yè)級(jí) - 40°C至 + 125°C的環(huán)境工作溫度范圍和 - 40°C至 + 150°C的結(jié)溫范圍，適用于各種惡劣環(huán)境。

四、電氣特性

1. 輸入電源

輸入電壓范圍為4V至60V，輸入關(guān)斷電流在V_EN/UVLO = 0V，TA = + 25°C時(shí)為0.67μA至2.25μA。在不同工作模式下，輸入電源電流也有所不同，如在PFM模式下典型值為18μA，在正常開關(guān)模式下（VIN = 24V）為180μA至650μA。

2. 外部偏置

VOUT開關(guān)閾值為2.96V至3.12V，可用于為內(nèi)部控制電路提供低電壓電源，提高轉(zhuǎn)換器的效率。

3. 使能/欠壓鎖定

EN/UVLO閾值在上升時(shí)為1.2V至1.3V，下降時(shí)為1.1V至1.2V，可用于控制器件的開啟和關(guān)閉。當(dāng)EN/UVLO引腳電壓低于0.7V時(shí)，器件進(jìn)入真正的關(guān)斷狀態(tài)。

4. 功率MOSFET

高側(cè)pMOS的導(dǎo)通電阻在LLx = 0.1A（源極）時(shí)為3.2Ω至11.1Ω，低側(cè)nMOS的導(dǎo)通電阻在LLx = 0.1A（漏極）時(shí)為1.6Ω至6Ω。LX引腳的泄漏電流在V_EN = 0V，TA = + 25°C，VLx = (VGND + 1V)至(VIN - 1V)時(shí)為 - 1μA至 + 1μA。

5. 軟啟動(dòng)

當(dāng)SS引腳未連接時(shí)，軟啟動(dòng)時(shí)間為4.4ms至5.8ms，SS引腳充電電流在VSS = 0.4V時(shí)為4.7μA至5.3μA。

6. 反饋

FB調(diào)節(jié)電壓在MODE = GND時(shí)為0.786V至0.814V，在MODE未連接時(shí)為0.786V至0.826V。FB輸入泄漏電流在VFB = 1V，TA = 25°C時(shí)為 - 100nA至 + 100nA。

7. 電流限制

峰值電流限制閾值為66mA至78mA，負(fù)電流限制閾值在VMODE = GND時(shí)為24mA至40mA，在VMODE未連接時(shí)為0.01mA。PFM電流水平在VMODE未連接時(shí)為17mA至29mA。

8. 開關(guān)頻率

開關(guān)頻率可通過連接在RT/SYNC引腳的電阻進(jìn)行編程，范圍為100kHz至2.2MHz。不同電阻值對(duì)應(yīng)的開關(guān)頻率不同，如RRT = 422kΩ時(shí)為90kHz至111kHz，RRT = 191kΩ時(shí)為205kHz至235kHz等。

9. 同步輸入

SYNC輸入頻率范圍為1.1 x fSW至2200kHz，SYNC脈沖最小關(guān)斷時(shí)間為40ns，SYNC上升閾值為1V至1.44V，滯后為0.115V至0.265V，使能同步所需的SYNC脈沖數(shù)為1個(gè)周期。

10. 時(shí)序

最小導(dǎo)通時(shí)間為46ns至128ns，最大占空比在fSW ≤ 600kHz，VFB = 0.98 x VFB - REG時(shí)為90%至98%，在fSW > 600kHz，VFB = 0.98 x VFB - REG時(shí)為87%至92%。打嗝超時(shí)時(shí)間為51ms。

11. 復(fù)位

FB上升時(shí)RESET的閾值為93%至97%，F(xiàn)B下降時(shí)RESET的閾值為90%至94%。FB電壓上升到設(shè)定值的95%后，RESET延遲2.1ms變?yōu)楦咦杩埂ESET輸出低電平在I_RESET = 1mA時(shí)為0.23V，RESET輸出泄漏電流在VFB = 1.01 x VFB - REG，TA = + 25°C時(shí)為1μA。

12. 模式

MODE引腳用于選擇PFM或PWM模式。MODE PFM閾值為1V至1.44V，MODE滯后為0.19V。MODE內(nèi)部上拉電阻在VMODE未連接時(shí)為123kΩ，在VMODE = GND時(shí)為1390kΩ。

13. 熱關(guān)斷

熱關(guān)斷閾值在溫度上升時(shí)為160°C，熱關(guān)斷滯后為20°C。

五、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，如高效5V、25mA穩(wěn)壓器，高效3.3V、25mA穩(wěn)壓器等。這些電路展示了如何根據(jù)不同的輸出電壓和負(fù)載要求選擇合適的電感、電容和電阻等元件，為工程師的設(shè)計(jì)提供了參考。

六、引腳配置與功能

1. IN

開關(guān)穩(wěn)壓器輸入引腳，需連接一個(gè)X7R 1μF陶瓷電容到GND進(jìn)行旁路。

2. EN/UVLO

高電平有效，用于使能/欠壓檢測(cè)輸入。將該引腳拉低可禁用穩(wěn)壓器輸出，連接到IN可實(shí)現(xiàn)始終開啟操作。可通過外部電阻分壓器調(diào)節(jié)輸入電壓，控制器件的開啟和關(guān)閉。

3. RT/SYNC

振蕩器定時(shí)電阻輸入引腳，通過連接電阻到GND可編程開關(guān)頻率。同時(shí)，該引腳還可用于與外部系統(tǒng)時(shí)鐘同步。

4. SS

軟啟動(dòng)電容輸入引腳，連接電容到GND可設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間。若不連接，則采用默認(rèn)的5.1ms內(nèi)部軟啟動(dòng)。

5. FB

輸出反饋連接引腳，通過連接電阻分壓器到VOUT和GND可設(shè)置輸出電壓。

6. VOUT

內(nèi)部控制電路的外部偏置輸入引腳，在輸出電壓為3.3V至5V的應(yīng)用中，需用0.22μF電容去耦到GND，并通過22.1Ω電阻連接到輸出電容的正端。對(duì)于輸出電壓小于3.3V或大于5V的應(yīng)用，應(yīng)連接到GND。

7. RESET

開漏復(fù)位輸出引腳，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引腳拉低；當(dāng)FB電壓上升到設(shè)定值的95%以上2ms后，RESET引腳變?yōu)楦咦杩埂?/p>

8. MODE

PFM/PWM模式選擇輸入引腳，連接到GND可啟用固定頻率的PWM操作，不連接則在輕負(fù)載時(shí)采用PFM操作。

9. GND

接地引腳，應(yīng)連接到電源接地平面，并將所有電路接地連接在一點(diǎn)。

10. LX

電感連接引腳，連接到電感的開關(guān)側(cè)。在器件關(guān)斷時(shí)，該引腳為高阻抗。

11. EP（僅TDFN封裝）

外露焊盤，連接到GND引腳。

七、詳細(xì)工作原理

1. 控制架構(gòu)

MAX17550采用內(nèi)部補(bǔ)償?shù)姆逯惦娏髂Ｊ娇刂萍軜?gòu)。在內(nèi)部時(shí)鐘的上升沿，高側(cè)pMOSFET導(dǎo)通。內(nèi)部誤差放大器將反饋電壓與固定的內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，生成誤差電壓。PWM比較器將誤差電壓與電流檢測(cè)電壓和斜率補(bǔ)償電壓之和進(jìn)行比較，以設(shè)置“導(dǎo)通時(shí)間”。在pMOSFET導(dǎo)通期間，電感電流上升；在剩余的開關(guān)周期（關(guān)斷時(shí)間）內(nèi)，pMOSFET關(guān)斷，低側(cè)nMOSFET導(dǎo)通，電感釋放存儲(chǔ)的能量，為輸出提供電流。

2. 模式選擇

• PWM模式：電感電流允許為負(fù)，適用于對(duì)頻率敏感的應(yīng)用，可在所有負(fù)載下提供固定的開關(guān)頻率。但在輕負(fù)載時(shí)，與PFM模式相比，效率較低。
• PFM模式：禁用負(fù)電感電流，并在輕負(fù)載時(shí)跳過脈沖以提高效率。在每個(gè)時(shí)鐘周期，電感電流被強(qiáng)制達(dá)到固定的峰值（典型值為23mA），直到輸出電壓上升到標(biāo)稱電壓的102%。此時(shí)，高側(cè)和低側(cè)FET均關(guān)斷，器件進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到負(fù)載將輸出電壓放電到標(biāo)稱電壓的101%。在休眠狀態(tài)下，大部分內(nèi)部模塊關(guān)閉以節(jié)省靜態(tài)電流。當(dāng)負(fù)載電流增加到大約IPFM - (ΔI / 2)時(shí)，器件自然退出PFM模式；當(dāng)負(fù)載電流降低到大約(ΔI / 2)時(shí)，再次進(jìn)入PFM模式。

  3. 使能輸入和軟啟動(dòng)

  當(dāng)EN/UVLO電壓高于1.25V（典型值）時(shí)，器件啟動(dòng)軟啟動(dòng)序列。軟啟動(dòng)時(shí)間取決于SS引腳的狀態(tài)。若SS引腳未連接，則采用默認(rèn)的5ms內(nèi)部軟啟動(dòng)，逐漸提升內(nèi)部誤差放大器的參考電壓。若連接電容到SS引腳，5μA的電流源將對(duì)電容充電，使SS引腳電壓上升，該電壓作為內(nèi)部誤差放大器的參考，使輸出電壓從零單調(diào)上升到最終設(shè)定值，不受負(fù)載電流的影響。

  4. 開關(guān)頻率和外部同步

  開關(guān)頻率可通過連接在RT/SYNC引腳的電阻在100kHz至2.2MHz范圍內(nèi)編程。為確保內(nèi)部自適應(yīng)環(huán)路補(bǔ)償方案的正確配置，130kHz至160kHz和230kHz至280kHz的開關(guān)頻率范圍不允許用戶編程。RT/SYNC引腳還可用于將器件的內(nèi)部振蕩器與外部系統(tǒng)時(shí)鐘同步，但僅在PWM模式（MODE引腳連接到GND）下允許。外部時(shí)鐘應(yīng)通過47pF電容耦合到RT/SYNC引腳，邏輯高電平應(yīng)高于3V，邏輯低電平應(yīng)低于0.5V，占空比應(yīng)在10%至70%之間。RT電阻應(yīng)選擇為使開關(guān)頻率比外部時(shí)鐘頻率低10%，并且外部時(shí)鐘應(yīng)在啟用器件后至少500μs施加，以確保內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償?shù)恼_配置。

  5. 外部偏置

  當(dāng)VOUT引腳電壓超過3.1V時(shí)，器件從該引腳汲取開關(guān)和靜態(tài)電流，以提高轉(zhuǎn)換器的效率。在輸出電壓為3.3V至5V的應(yīng)用中，VOUT應(yīng)通過陶瓷電容去耦到GND，并通過電阻連接到輸出電容的正端，以避免在短路條件下VOUT引腳的絕對(duì)最大額定值被超過。對(duì)于輸出電壓小于3.3V或大于5V的應(yīng)用，VOUT應(yīng)連接到GND。

  6. 復(fù)位輸出

  RESET引腳用于監(jiān)控輸出電壓。當(dāng)輸出電壓上升到標(biāo)稱設(shè)定值的95%以上2ms后，RESET引腳變?yōu)楦咦杩梗划?dāng)輸出電壓下降到設(shè)定標(biāo)稱輸出電壓的92%以下時(shí)，RESET引腳拉低。在打嗝超時(shí)期間，RESET引腳也會(huì)拉低。

  7. 預(yù)偏置輸出啟動(dòng)

  MAX17550支持在預(yù)偏置輸出下單調(diào)啟動(dòng)。當(dāng)器件在預(yù)偏置輸出下啟動(dòng)時(shí)，高側(cè)和低側(cè)開關(guān)均關(guān)斷，轉(zhuǎn)換器不會(huì)從輸出汲取電流。直到PWM比較器發(fā)出第一個(gè)PWM脈沖，開關(guān)才開始切換，輸出電壓隨后平穩(wěn)上升到目標(biāo)值，與內(nèi)部參考一致。這一特性在為具有多個(gè)電源軌的數(shù)字集成電路供電的應(yīng)用中非常有用。

  8. 輸入電壓范圍

  最大工作輸入電壓由最小可控導(dǎo)通時(shí)間決定，最小工作輸入電壓由最大占空比和電路電壓降決定。可通過以下公式計(jì)算給定輸出電壓下的最小和最大工作輸入電壓： [V{INMAX }=frac{V{OUT }}{t{ONMIN } × f{SW }}] [V{INMIN }=frac{V{OUT }+left(I{OUT } timesleft(R{DCR}+6.0right)right)}{D{MAX }}+left(I{OUT } × 5.1right)] 其中，VOUT為穩(wěn)態(tài)輸出電壓，IOUT為最大負(fù)載電流，RDCR為電感的直流電阻，fSW為最大開關(guān)頻率，DMAX為最大占空比（0.9），tONMIN為最壞情況下的最小可控開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間（128ns）。

  9. 過流保護(hù)和打嗝模式

  器件采用打嗝式過載保護(hù)方案，以保護(hù)電感和內(nèi)部FET在輸出短路條件下不受損壞。當(dāng)電感峰值電流連續(xù)16次超過0.072A（典型值）時(shí)，器件進(jìn)入打嗝模式。在該模式下，器件首先以滯回式逐周期峰值電流限制運(yùn)行，持續(xù)時(shí)間為軟啟動(dòng)時(shí)間的兩倍，然后關(guān)閉51ms的打嗝超時(shí)時(shí)間。這種電感電流波形的滯回序列和打嗝超時(shí)時(shí)間會(huì)持續(xù)，直到輸出的短路/過載情況消除，從而避免電感電流失控。

  10. 熱過載保護(hù)

  熱過載保護(hù)可限制IC的總功耗。當(dāng)結(jié)溫超過 + 160°C時(shí)，片上熱傳感器將關(guān)閉器件，關(guān)閉內(nèi)部功率MOSFET，使其冷卻。當(dāng)結(jié)溫下降20°C后，器件重新開啟。

八、元件選擇

1. 電感選擇

應(yīng)選擇具有盡可能低的直流電阻且適合規(guī)定尺寸的低損耗電感。可通過以下公式計(jì)算所需的電感值： [L=frac{37000 × V{OUT }}{f{SW}}] 其中，L為電感值（μH），VOUT為輸出電壓，fSW為開關(guān)頻率（kHz）。 同時(shí)，可通過以下公式計(jì)算輸出電感中的峰 - 峰紋波電流（ΔI）： [Delta I=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