深入解析MAX15048/MAX15049：高性能三輸出降壓控制器

在電子設計領域，電源管理是一個至關重要的環(huán)節(jié)。今天，我們將深入探討Maxim Integrated推出的MAX15048/MAX15049三輸出降壓控制器，它在高性能、小尺寸電源管理解決方案方面表現(xiàn)出色。

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一、產(chǎn)品概述

MAX15048/MAX15049是具有跟蹤（MAX15048）和排序（MAX15049）選項的三輸出脈寬調(diào)制（PWM）降壓DC - DC控制器。它們能在4.7V至23V或5V ±10%的輸入電壓范圍內(nèi)工作，每個PWM控制器可提供低至0.6V的可調(diào)輸出，并能提供高達15A的負載電流，具備出色的負載和線性調(diào)節(jié)能力。其中，MAX15049還能啟動預偏置輸出，這在并行電源模塊的應用中能確保輸出電壓無干擾地上電。

二、關鍵特性

2.1 輸入電壓范圍與輸出調(diào)節(jié)

輸入電壓范圍為4.7V至23V或5V ±10%，每個輸出電壓可調(diào)節(jié)至低至0.6V，能滿足多種不同的電源需求。

2.2 跟蹤與排序功能

MAX15048提供重合跟蹤或比例跟蹤，MAX15049提供輸出排序功能，可根據(jù)系統(tǒng)要求定制上電/下電序列。

2.3 頻率與效率優(yōu)化

工作在200kHz至1.2MHz的可編程固定開關頻率，每個轉(zhuǎn)換器以120°異相運行，將輸入電容紋波頻率提高至3.6MHz，顯著降低RMS輸入紋波電流和輸入旁路電容的尺寸。

2.4 保護特性

具備無損谷值模式電流限制、打嗝模式輸出短路保護和熱關斷等保護功能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.5 集成設計

集成了升壓二極管，節(jié)省了系統(tǒng)成本。

三、電氣特性

3.1 系統(tǒng)規(guī)格

輸入電壓范圍為4.7V至23V，輸入欠壓鎖定閾值為4.0V至4.4V，具有0.3V的滯后。工作電源電流在VIN = 12V、VFB = 0.8V時為6至9mA，關斷電源電流在VIN = 12V、EN = 0、PGOOD未連接時為100至200μA。

3.2 電壓調(diào)節(jié)器

輸出電壓設定點在VIN = 6V至23V時為4.75V至5.25V，負載調(diào)節(jié)在IREG = 0至60mA、VIN = 6V時為0.2V。

3.3 振蕩器

開關頻率范圍為200kHz至1200kHz，開關頻率精度在fSW = 500kHz時為±4%，相位延遲為120°。

3.4 驅(qū)動器

DL_、DH_的先斷后合時間為35ns，DH和DL的導通電阻在不同負載條件下有相應的數(shù)值。

3.5 電流限制與打嗝模式

谷值電流限制閾值為69mV，閾值溫度系數(shù)為3333ppm/°C，累積電流限制事件達到8次進入打嗝模式，連續(xù)3個非電流限制周期清除計數(shù)，打嗝超時為4096個時鐘周期。

3.6 使能/PGOOD

EN_閾值為0.57V至0.63V，具有46mV的滯后；PGOOD閾值為0.545V至0.555V，具有30mV的滯后。

3.7 熱關斷

熱關斷溫度為+160°C，熱關斷滯后為20°C。

四、典型工作特性

通過一系列圖表展示了轉(zhuǎn)換器的效率與負載電流、輸出電壓與負載電流、開關頻率與溫度等關系。例如，不同輸入電壓下，轉(zhuǎn)換器的效率隨負載電流的變化情況，能幫助工程師更好地了解器件在不同工況下的性能。

五、引腳配置與功能

MAX15048/MAX15049采用32引腳TQFN - EP封裝，每個引腳都有特定的功能。

5.1 RT引腳

用于連接振蕩器定時電阻，通過連接15.6kΩ至3.75kΩ的電阻到SGND，可將開關頻率編程為200kHz至1.2MHz。

5.2 SGND引腳

模擬地，需與PGND_在輸入旁路電容返回端附近的一點連接。

5.3 PGND引腳

分別為三個控制器的電源地，連接輸入濾波電容的負極、同步MOSFET的源極和輸出濾波電容的返回端。

5.4 DL和DH引腳

分別為低側(cè)和高側(cè)柵極驅(qū)動器輸出，驅(qū)動外部n溝道MOSFET。

5.5 BST引腳

為高側(cè)柵極驅(qū)動器供電，需連接0.1μF的陶瓷電容到LX_。

5.6 EN引腳

用于使能和跟蹤輸入，在跟蹤（MAX15048）和排序（MAX15049）時具有不同的連接方式。

5.7 FB引腳

反饋調(diào)節(jié)點，連接到電阻分壓器的中心抽頭以設置輸出電壓。

5.8 COMP引腳

跨導誤差放大器輸出，連接到輸出的補償反饋網(wǎng)絡。

5.9 PGOOD引腳

控制器電源良好輸出，上拉到低于5.5V的正電壓，用于指示所有輸出是否在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

5.10 IN引腳

電源輸入連接，連接到4.7V至23V的外部電壓源。

5.11 REG引腳

5V穩(wěn)壓器輸出，需用2.2μF的陶瓷電容旁路到SGND。

5.12 EP引腳

外露焊盤，焊接到大型SGND平面以改善散熱。

六、詳細工作原理

6.1 內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）

VIN必須超過默認的UVLO閾值才能開始工作，UVLO電路在VIN低于閾值時關閉MOSFET驅(qū)動器、振蕩器和所有內(nèi)部電路，以降低電流消耗。UVLO上升閾值為4.2V，具有300mV的滯后。

6.2 數(shù)字軟啟動/軟停止/預偏置輸出

軟啟動功能使負載電壓以受控方式上升，消除輸出電壓過沖。軟啟動在VIN超過UVLO閾值且使能輸入高于0.6V后開始，持續(xù)2048個時鐘周期，輸出電壓通過64個相等的步驟遞增。MAX15048的軟停止在使能輸入低于0.55V時開始，輸出電壓通過64個相等的步驟在2048個時鐘周期內(nèi)遞減。MAX15049能啟動預偏置負載，在軟啟動期間，兩個開關保持關閉，直到PWM比較器發(fā)出第一個PWM脈沖。

6.3 內(nèi)部線性穩(wěn)壓器（REG）

REG是由IN供電的5V LDO的輸出端，為IC提供電源。需將REG外部連接到DREG_為低側(cè)MOSFET柵極驅(qū)動器供電，并使用至少2.2μF的陶瓷電容旁路到SGND。REG僅用于為內(nèi)部電路供電，最大可提供60mA的電流。

6.4 MOSFET柵極驅(qū)動器和內(nèi)部升壓開關

DREG_是低側(cè)MOSFET驅(qū)動器的電源輸入，可通過RC濾波器連接到REG或外部電源。BST_為高側(cè)MOSFET驅(qū)動器供電，內(nèi)部開關將DREG_和BST_之間的電壓提升，為高側(cè)MOSFET提供必要的柵源電壓。柵極驅(qū)動器具有1A的峰值源極和吸收電流能力，提供先斷后合時間以防止過渡期間的直通電流。

6.5 MAX15048重合/比例跟蹤

通過使能輸入（EN）結(jié)合數(shù)字軟啟動和軟停止實現(xiàn)重合/比例跟蹤。重合跟蹤時，將用于FB的電阻分壓器連接到輸出和EN；比例跟蹤時，將EN_連接到SGND。在輸出短路故障時，能確保主從輸出的合理響應。

6.6 MAX15049輸出電壓排序

使能輸入必須高于0.6V，PWM控制器才能啟動。VOUT_輸出和EN_輸入可通過菊花鏈連接實現(xiàn)電源排序，也可使用電阻分壓器設置每個控制器的啟動時間。

6.7 誤差放大器

內(nèi)部跨導誤差放大器的輸出（COMP_）用于頻率補償，誤差放大器具有80dB的開環(huán)增益和10MHz的GBW乘積。

6.8 輸出短路保護（打嗝模式）

采用谷值電流限制算法，使用同步MOSFET的導通電阻作為電流傳感元件。當電流限制閾值超過8個累積時鐘周期時，設備關閉4096個時鐘周期，然后軟啟動。連續(xù)3個非電流限制周期清除計數(shù)。

6.9 熱過載保護

具備集成的熱過載保護和溫度滯后功能。當芯片溫度超過+160°C時，內(nèi)部熱傳感器關閉設備，溫度下降20°C后軟啟動。

七、設計步驟

7.1 設置開關頻率

通過連接15.625kΩ至93.75kΩ的電阻到RT引腳，可將開關頻率編程為200kHz至1.2MHz，計算公式為fSW (kHz)=12.8 × RRT(kΩ)。

7.2 有效輸入電壓范圍

最大輸入電壓受最小導通時間限制，最小輸入電壓受最大占空比限制，計算公式分別為VIN(MAX) ≤ VOUT / (tON(MIN) × fSW)和VIN(MIN)= VOUT / (1 - (tOFF(MIN) × fSW))。

7.3 電感選擇

需考慮電感值（L）、電感飽和電流（ISAT）和電感串聯(lián)電阻（DCR）。電感值計算公式為L = VOUT (VIN - VOUT) / (VIN × fSW × ΔIP - P)，一般選擇ΔIP - P等于滿載電流的30%。ISAT應高于最大峰值電流，選擇低DCR的電感以提高效率。

7.4 輸入電容選擇

輸入電容需能承受輸入紋波電流，并將輸入電壓紋波保持在設計要求范圍內(nèi)。120°紋波相位操作將輸入電容紋波電流頻率提高到單個轉(zhuǎn)換器開關頻率的三倍。計算公式為ESR = ΔVESR / (ILOAD(MAX) + ΔIP - P / 2)和CIN = ILOAD(MAX) × (VOUT / VIN) / (ΔVQ + fSW)。

7.5 輸出電容選擇

輸出電容的選擇取決于允許的輸出電壓紋波和負載階躍期間的最大輸出電壓偏差。計算公式為COUT = ΔIP - P / (8 × ΔVQ × fSW)和ESR = ΔVESR / ΔIP - P。在負載階躍時，還需考慮ESR、ESL和電容值，計算公式分別為ESR = ΔVESR / ISTEP、COUT = ISTEP × tRESPONSE / ΔVQ和ESL = ΔVESL × tSTEP / ISTEP。

7.6 設置電流限制

采用谷值電流傳感方法，谷值電流限制閾值為69mV。通過監(jiān)測低側(cè)MOSFET的導通電阻上的電壓降來感測電感電流，計算公式為VVALLEY = RDS(ON) × (ILOAD(MAX) - ΔIP - P / 2)。

7.7 功率MOSFET選擇

選擇n溝道MOSFET時，需考慮總柵極電荷、RDS(ON)、功率耗散、最大漏源電壓和封裝熱阻抗。選擇優(yōu)化用于高頻開關應用的MOSFET。

7.8 補償設計指南

采用固定頻率、電壓模式控制方案，通過誤差放大器和補償網(wǎng)絡實現(xiàn)穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)輸出電容的ESR零頻率，可選擇Type II或Type III補償網(wǎng)絡。

八、典型工作電路

文檔提供了MAX15048重合跟蹤器、MAX15048比例跟蹤器、MAX15049排序器的典型工作電路，以及MAX15049評估套件的原理圖，為工程師的設計提供了參考。

九、應用信息

9.1 功率耗散

32引腳TQFN熱增強封裝可耗散高達2758.6mW的功率，功率耗散計算公式為PD = VIN × IREG，其中IREG包括靜態(tài)電流和總柵極驅(qū)動電流。最大功率耗散計算公式為PDMAX = 34.5 × (150 - TA) mW。

9.2 PCB布局指南

布局時需將IN、REG和DREG_旁路電容靠近MAX15048/MAX15049放置，最小化高電流環(huán)路的面積和長度，保持SGND和PGND_隔離并在一點連接，避免長走線，將輸出電容靠近負載放置，均勻分布功率組件，提供足夠的銅面積用于散熱，連接外露焊盤到大型銅平面，并使用2oz銅以降低走線電感和電阻。

MAX15048/MAX15049三輸出降壓控制器憑借其豐富的功能和出色的性能，為電子工程師在電源管理設計中提供了一個強大的工具。在實際應用中，工程師需要根據(jù)具體的系統(tǒng)需求，合理選擇和配置這些參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的電源性能。你在使用這類控制器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。