MAX15023：寬輸入電壓范圍的雙輸出同步降壓控制器

在電子設計領域，電源管理芯片的性能直接影響著整個系統的穩定性和效率。MAX15023作為一款寬輸入電壓范圍的雙輸出同步降壓控制器，為工程師們提供了強大而靈活的電源解決方案。今天，我們就來深入了解一下這款芯片。

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一、產品概述

MAX15023可在5.5V至28V或5V ±10%的輸入電壓范圍內工作，能夠產生兩個獨立的輸出電壓。每個輸出電壓可在0.6V至輸入電壓的85%之間進行調節，并且能夠支持12A或更高的負載。通過180°異相交錯操作，有效降低了輸入電壓紋波和總RMS輸入紋波電流。

二、關鍵特性

2.1 輸入輸出特性

• 寬輸入電壓范圍：支持5.5V至28V或5V ±10%的輸入，適應多種電源環境。
• 可調輸出電壓：輸出電壓可在0.6V至輸入電壓的85%之間靈活調整，滿足不同負載的需求。

2.2 頻率調整與整流特性

• 可調開關頻率：通過外部電阻可將開關頻率從200kHz調整到1MHz，方便工程師根據具體應用進行優化。
• 自適應同步整流：無需外部續流肖特基二極管，降低了成本和功耗。

2.3 保護特性

• 電流限制與熱關斷：具備逐周期、低側源峰值電流限制和熱關斷功能，有效保護芯片在過載和短路情況下的安全。
• 打嗝模式短路保護：在短路情況下，打嗝模式電流限制可降低功耗，提高系統的可靠性。

2.4 其他特性

• 獨立電源良好輸出和使能輸入：兩個獨立的電源良好輸出和使能輸入，可用于電源監控和電源排序。
• 自適應內部數字軟啟動：允許預偏置啟動而無需對輸出放電，實現對大輸出電容的平滑充電。

三、工作原理

3.1 DC - DC PWM控制

MAX15023采用PWM電壓模式控制方案，每個通道的控制環路補償為外部補償，提供了在選擇工作頻率和輸出LC濾波組件時的最大靈活性。內部跨導誤差放大器在COMP_端產生積分誤差電壓，有助于提高直流精度。

3.2 交錯異相操作

兩個獨立的調節器以180°異相方式工作，減少了輸入濾波要求，降低了電磁干擾（EMI），提高了效率，同時降低了組件成本和節省了電路板空間。

3.3 內部5.2V線性調節器

當可用電源電壓超過5.5V時，內部5.2V低壓差線性調節器為內部功能和MOSFET驅動器供電。如果有外部5V ±10%的電源電壓，IN和VCC可以連接到5V電源。

3.4 MOSFET柵極驅動器

DH_和DL_驅動器針對驅動大型n溝道功率MOSFET進行了優化，自適應死區時間電路可防止交叉導通或直通，確保了高效穩定的工作。

3.5 高側柵極驅動電源和內部升壓開關

通過內部開關在BST_和DH之間閉合，為高側MOSFET提供必要的柵源電壓，升壓電容在高側MOSFET導通期間維持柵極驅動器兩端的電壓。

3.6 使能輸入、自適應軟啟動和軟停止

通過控制每個相位的使能輸入（EN1和EN2），可以獨立地打開和關閉兩個輸出。軟啟動序列通過逐步增加誤差放大器的參考電壓來實現，軟停止序列則通過逐步降低參考電壓來實現。

3.7 電源良好輸出

兩個電源良好比較器用于監測調節器的輸出電壓，當輸出電壓超過標稱調節電壓的92.5%時，PGOOD_輸出變為高電平；當輸出電壓下降到標稱調節電壓的89.5%以下時，PGOOD_輸出變為低電平。

3.8 啟動到預偏置輸出

當控制器啟動到預偏置輸出時，DH_/DL_互補開關序列被抑制，直到PWM比較器發出第一個PWM脈沖。

3.9 電流限制電路

采用逐周期低側源峰值和吸收電流傳感算法，使用低側MOSFET的導通電阻作為電流傳感元件，無需昂貴的傳感電阻，并且電流限制可通過外部電阻進行調節。

3.10 打嗝模式過流保護

在長時間短路或深度過載情況下，打嗝模式過流保護可降低功耗。當逐周期低側源峰值電流限制條件持續存在時，控制器停止DL和DH_驅動器，并等待7936個開關周期后再啟動新的軟啟動序列。

3.11 欠壓鎖定

內部欠壓鎖定（UVLO）電路監測VCC電壓，當VCC電壓低于3.8V（典型值）時，防止MAX15023工作，具有430mV的滯后以防止電源電壓上升/下降時的抖動。

3.12 熱過載保護

當芯片的結溫超過150°C時，片上熱傳感器會關閉芯片，當結溫冷卻20°C后，熱傳感器會再次開啟芯片。

四、設計步驟

4.1 有效輸入電壓范圍

最小電壓轉換比可能受最小可控導通時間的限制，最大電壓轉換比受最大占空比的限制。為避免脈沖跳過，可降低開關頻率或輸入電壓。

4.2 設置使能輸入

每個控制器的使能輸入參考模擬電壓（1.2V），可通過電阻分壓器電路設置特定的開啟閾值。

4.3 設置輸出電壓

通過連接從輸出到FB_再到SGND的電阻分壓器來設置每個通道的輸出電壓。

4.4 設置開關頻率

開關頻率通過連接從RT到SGND的電阻進行設置，頻率與電阻的關系為(R{T}=frac{24806}{(f{SW})^{1.0663}})。

4.5 電感選擇

需要指定電感的電感值、飽和電流和直流電阻三個關鍵參數。電感值可根據開關頻率、輸入電壓、輸出電壓和所選的電感峰 - 峰交流電流與直流平均電流之比（LIR）來確定。

4.6 設置逐周期低側源峰值電流限制

電流限制閾值必須足夠高，以支持最大預期負載電流。可通過連接從LIM_到SGND的電阻來調整電流限制閾值。

4.7 輸入電容選擇

輸入濾波電容可減少從電源汲取的峰值電流，降低輸入電壓紋波。應選擇在RMS輸入電流下溫度上升小于+10°C的輸入電容。

4.8 輸出電容選擇

輸出電容的關鍵選擇參數包括電容值、ESR和電壓額定值，這些參數會影響系統的穩定性、輸出紋波電壓和瞬態響應。

4.9 補償

每個通道提供內部跨導放大器，可進行外部頻率補償。根據輸出電容的類型選擇合適的補償網絡，以確保系統的穩定性和良好的瞬態響應。

4.10 MOSFET選擇

MAX15023驅動兩個外部邏輯電平n溝道MOSFET，選擇時需考慮導通電阻、最大漏源電壓、最小閾值電壓、總柵極電荷、反向傳輸電容和功耗等參數。

4.11 功率耗散

器件的最大功耗取決于芯片到環境的熱阻和環境溫度。可通過計算功耗和熱阻來估計芯片的溫度上升。

4.12 升壓飛電容選擇

根據高側MOSFET的總柵極電荷和允許的電壓變化來選擇升壓飛電容的大小。

五、應用信息

5.1 PCB布局指南

• 建立小的模擬接地平面或使用專用內部平面，連接到SGND，并用于IN旁路電容、補償組件、反饋分壓器、RT電阻和LIM_電阻的接地連接。
• 將所有功率組件放置在電路板的頂層，僅在頂層使用走線或銅填充來運行功率級電流，避免添加過孔。
• 在頂層布局大的PGND銅區域，連接高頻輸入電容、輸出電容和低側MOSFET的源極。
• 將SGND平面與頂層銅PGND區域進行星型連接，在源極感應附近使用少量過孔。
• 保持功率走線和負載連接短，特別是在接地端子處。
• 將控制器IC放置在同步整流MOSFET附近，保持LX、PGND、DH_和DL_的連接短而寬。
• 路由高速開關節點遠離敏感模擬區域，將所有SGND參考和反饋組件靠近IC放置。

5.2 典型應用電路

文檔中提供了三種典型應用電路，分別適用于單電源軌、5V ±10%電源和輔助5V電源與3.3V總線的情況。

六、總結

MAX15023以其寬輸入電壓范圍、靈活的輸出調節、豐富的保護特性和良好的性能，為電子工程師在電源設計方面提供了一個優秀的選擇。在實際應用中，工程師們需要根據具體的需求和設計要求，合理選擇外部組件，并遵循PCB布局指南，以確保系統的穩定性和可靠性。你在使用MAX15023或類似電源管理芯片時，遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。