MAX8664：低成本雙輸出降壓控制器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。對于需要雙電源的系統(tǒng)而言，選擇一款合適的控制器能夠顯著提升系統(tǒng)性能、降低成本。今天，我們就來深入探討一下MAX8664這款低 成本、高性能的雙輸出PWM控制器。

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一、產(chǎn)品概述

MAX8664專為需要雙電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是一款性價(jià)比極高的解決方案。它具備兩個(gè)獨(dú)立的輸出，且這兩個(gè)輸出以180°異相方式工作，這種設(shè)計(jì)能有效降低輸入電流紋波，從而減少對輸入電容的需求。內(nèi)置的驅(qū)動器能夠驅(qū)動外部MOSFET，每個(gè)通道可提供高達(dá)25A的輸出電流。

該控制器的輸入電壓范圍為4.5V至28V，每個(gè)通道的輸出電壓可在0.6V至輸入電壓的90%之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。在負(fù)載、線路和溫度變化的情況下，總輸出調(diào)節(jié)誤差小于±0.8%，保證了輸出電壓的高精度和穩(wěn)定性。

二、關(guān)鍵特性剖析

1. 靈活的工作參數(shù)

• 開關(guān)頻率可調(diào)：MAX8664的開關(guān)頻率可在100kHz至1MHz之間進(jìn)行調(diào)整，這使得設(shè)計(jì)師能夠根據(jù)具體應(yīng)用需求，靈活選擇合適的開關(guān)頻率，以平衡效率、紋波和元件尺寸等因素。
• 數(shù)字軟啟動功能：數(shù)字軟啟動功能能夠有效消除啟動時(shí)的輸入浪涌電流，保護(hù)系統(tǒng)免受電流沖擊的影響，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2. 減少元件數(shù)量

內(nèi)置的升壓二極管減少了外部元件的使用數(shù)量，簡化了電路設(shè)計(jì)，降低了成本和電路板空間需求。

3. 出色的瞬態(tài)響應(yīng)

采用Maxim專有的峰值電壓模式控制架構(gòu)，在負(fù)載或線路瞬變時(shí)能夠提供出色的瞬態(tài)響應(yīng)。這種架構(gòu)只需使用兩個(gè)電阻和一個(gè)電容，就能輕松穩(wěn)定任何類型的輸出電容，減少了輸出電容的需求，進(jìn)而降低了系統(tǒng)總成本。

4. 豐富的保護(hù)功能

具備過流、過壓和熱過載保護(hù)功能，能夠有效保護(hù)系統(tǒng)免受異常情況的損害。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，MAX8664B會鎖定兩個(gè)控制器，而MAX8664A則允許一個(gè)控制器在另一個(gè)控制器出現(xiàn)故障時(shí)繼續(xù)工作，提供了更高的系統(tǒng)容錯(cuò)能力。

三、工作原理詳解

1. DC - DC控制器架構(gòu)

MAX8664采用峰值電壓模式PWM控制方案，確保了穩(wěn)定的運(yùn)行、簡單的補(bǔ)償以及快速的瞬態(tài)響應(yīng)。片上積分器能夠消除紋波電壓引起的直流誤差。當(dāng)輸出電壓低于調(diào)節(jié)閾值時(shí)，誤差比較器會在時(shí)鐘周期的上升沿開啟高端開關(guān)，開始一個(gè)開關(guān)周期。高端開關(guān)會一直保持開啟，直到最小導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束、輸出電壓達(dá)到調(diào)節(jié)范圍或超過電流限制閾值。此時(shí)，低端同步整流器開啟，并保持開啟狀態(tài)，直到輸出電壓再次低于調(diào)節(jié)閾值后的第一個(gè)時(shí)鐘周期上升沿。

2. 內(nèi)部線性穩(wěn)壓器

MAX8664內(nèi)部的VL低壓差線性穩(wěn)壓器為柵極驅(qū)動提供6.5V電源。當(dāng)使用4.5V至5.5V的輸入電源時(shí)，可將VL直接連接到IN。用于為IC功能供電的5V電源（VCC）則由內(nèi)部的1.5V并聯(lián)穩(wěn)壓器從VL生成。

3. 高端柵極驅(qū)動電源

高端MOSFET的柵極驅(qū)動電壓通過飛電容升壓電路生成。在低端MOSFET導(dǎo)通期間，BST_和LX_之間的電容通過集成的BST_二極管充電至VL電壓。當(dāng)?shù)投薓OSFET關(guān)閉時(shí)，BST_電壓會高于LX_電壓，為高端MOSFET提供必要的導(dǎo)通電壓。

4. 電壓基準(zhǔn)

內(nèi)部的0.6V基準(zhǔn)設(shè)置了反饋調(diào)節(jié)電壓。控制器1始終使用內(nèi)部基準(zhǔn)，而控制器2則提供了一個(gè)外部基準(zhǔn)輸入REFIN2。通過連接不同的電壓源到REFIN2，可方便地實(shí)現(xiàn)跟蹤應(yīng)用。

5. 欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)VCC電源電壓低于UVLO閾值（典型下降值為3.15V）時(shí)，欠壓鎖定電路會禁止兩個(gè)控制器的開關(guān)操作，并將DL和DH柵極驅(qū)動器拉低。當(dāng)VCC上升超過UVLO閾值（典型上升值為3.5V）時(shí)，控制器開始啟動序列并恢復(fù)正常運(yùn)行。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

1. 開關(guān)頻率設(shè)置

通過在OSC/EN12和GND之間連接一個(gè)電阻，可以將開關(guān)頻率設(shè)置在100kHz至1000kHz之間。電阻值的計(jì)算公式為：$R{Hz} = frac{10^{10}}{2.24 times f{S}}$（$f_{S}$為開關(guān)頻率）。

2. 電感選擇

選擇電感時(shí)，需要考慮輸入電壓、輸出電壓、負(fù)載電流、開關(guān)頻率和LIR（電感電流紋波與最大直流負(fù)載電流之比）等參數(shù)。一般來說，LIR取0.3是在尺寸和效率之間的一個(gè)較好折衷。電感值的計(jì)算公式為：$L = frac{V{OUT} times (V{IN} - V{OUT})}{V{IN} times f{S} times I{LOAD(MAX)} times LIR}$。選擇接近計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)電感值，同時(shí)要確保電感的飽和電流額定值超過峰值電感電流。

3. 輸出電容選擇

輸出電容的選擇關(guān)鍵在于實(shí)際電容值、等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL）和電壓額定值。這些參數(shù)會影響系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性、輸出電壓紋波和瞬態(tài)響應(yīng)。輸出電壓紋波由電容存儲電荷的變化、電容ESR上的電壓降和ESL引起的電壓變化三部分組成。建議選擇陶瓷、鉭或鋁聚合物電解電容，對于鋁電解電容，可并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容以減少開關(guān)紋波和噪聲。

4. 輸出電壓設(shè)置和電壓定位

通過反饋網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)置輸出電壓和實(shí)現(xiàn)電壓定位。選擇R2的值在8kΩ至24kΩ之間，然后根據(jù)公式$R{1} = R{2} times (frac{I{OUT(MAX)} times DCR}{Delta V{OUT(MAX)}} - 1)$計(jì)算R1的值，以設(shè)置電壓定位的幅度。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，還可以計(jì)算R3的值來設(shè)置空載輸出電壓。

5. 補(bǔ)償設(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要在反饋電阻上并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電容Cr。首先選擇一個(gè)小于開關(guān)頻率1/3的閉環(huán)帶寬fC，然后計(jì)算輸出雙極點(diǎn)fo，再根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算FB峰 - 峰電壓紋波、輸出電容ESR引起的輸出紋波電壓，最后計(jì)算Cr的值。

6. MOSFET選擇

MAX8664的每個(gè)輸出能夠驅(qū)動2至4個(gè)外部邏輯電平n溝道MOSFET。選擇MOSFET時(shí)，關(guān)鍵參數(shù)包括導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）、最大漏源電壓（VDSS）和柵極電荷（Qg、Qgd、Qgs）。對于5V輸入應(yīng)用，選擇在VGS ≤ 4.5V時(shí)具有額定RDS(ON)的MOSFET；對于更高的輸入電壓，內(nèi)部VL穩(wěn)壓器提供6.5V的柵極驅(qū)動電壓。同時(shí)，要確保MOSFET的散熱設(shè)計(jì)能夠滿足功率耗散要求。

7. MOSFET緩沖電路

為了抑制開關(guān)節(jié)點(diǎn)的高頻振鈴，可以在每個(gè)低端開關(guān)上添加一個(gè)串聯(lián)RC緩沖電路。通過測量LX_到GND的振鈴頻率，計(jì)算電路寄生電容和電感，進(jìn)而確定緩沖電路的電阻和電容值。

8. 過流閾值設(shè)置

通過在ILIM_和高端MOSFET的漏極之間連接一個(gè)電阻，可以設(shè)置過流保護(hù)的觸發(fā)閾值。ILIM通過該電阻吸收50μA（典型值）的電流。當(dāng)高端MOSFET導(dǎo)通期間，漏源電壓超過該電阻上的電壓降時(shí)，過流保護(hù)將被觸發(fā)。電阻值的計(jì)算公式為：$R{ILIM} = frac{R{DS(ON)HS} times I_{LIMIT}}{50 mu A}$。

9. 輸入電容選擇

輸入濾波電容可以減少從電源汲取的峰值電流，降低電路開關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。輸入電容的選擇需要滿足開關(guān)電流引起的紋波電流要求，可通過公式$frac{1}{V{IN}} sqrt{(I{OUT1})^{2} times V{OUT1} times (V{IN} - V{OUT1}) + (I{OUT2})^{2} times V{OUT2} times (V{IN} - V_{OUT2})}$進(jìn)行估算。

五、PCB布局指南

PCB布局對于實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗和穩(wěn)定的系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要。以下是一些關(guān)鍵的布局指南：

1. 多層PCB推薦：使用多層PCB可以有效減少電磁干擾和提高電路的穩(wěn)定性。
2. 元件布局：將IC去耦電容盡可能靠近IC引腳放置，保持獨(dú)立的電源地和信號地平面。將低端MOSFET靠近PGND引腳放置，高端MOSFET和低端MOSFET的布局應(yīng)使高端MOSFET的漏極靠近低端MOSFET的源極，以便將輸入陶瓷去耦電容直接跨接在兩者之間，減少開關(guān)電流回路。
3. 模擬地平面：在IC下方的第二層鋪設(shè)模擬地平面，以減少噪聲耦合。
4. 電容連接：將輸入、輸出和VL電容連接到電源地平面，其他電容連接到信號地平面。
5. MOSFET布局：將MOSFET盡可能靠近IC放置，以減少柵極驅(qū)動回路的走線電感。如果使用并聯(lián)MOSFET，要確保兩個(gè)柵極的走線長度相等且短。
6. 散熱設(shè)計(jì)：將功率MOSFET的漏極連接到大面積的銅區(qū)域，以幫助散熱。
7. 反饋網(wǎng)絡(luò)布局：將反饋網(wǎng)絡(luò)元件盡可能靠近IC引腳放置，以減少信號干擾。
8. 電流限制設(shè)置：電流限制設(shè)置的RC應(yīng)采用開爾文連接到高端MOSFET的漏極，以確保準(zhǔn)確的電流檢測。

六、總結(jié)

MAX8664作為一款高性能、低成本的雙輸出PWM控制器，具有豐富的功能和出色的性能表現(xiàn)。通過合理的設(shè)計(jì)和布局，能夠滿足各種雙電源系統(tǒng)的需求，為電子工程師提供了一個(gè)可靠的電源管理解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要仔細(xì)考慮各個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，結(jié)合具體的應(yīng)用場景進(jìn)行優(yōu)化，以充分發(fā)揮MAX8664的優(yōu)勢。你在使用類似控制器時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。