MAX15014 - MAX15017：高性能降壓轉換器與LDO調節器的完美結合
MAX15014 - MAX15017：高性能降壓轉換器與LDO調節器的完美結合
在電子設計領域，電源管理芯片的性能和功能直接影響著整個系統的穩定性和效率。今天，我們要深入探討的是Maxim Integrated推出的MAX15014 - MAX15017系列芯片，這是一款集降壓轉換器和低靜態電流LDO調節器于一體的高性能電源管理解決方案。
文件下載：MAX15016.pdf
一、產品概述
MAX15014 - MAX15017將降壓DC - DC轉換器和50mA低靜態電流低壓差（LDO）調節器完美結合。LDO調節器非常適合為始終開啟的電路供電，而DC - DC轉換器則能提供高效的電源轉換。
1. 輸入電壓范圍
- MAX15015/MAX15016的DC - DC轉換器輸入電壓范圍為4.5V至40V。
- MAX15014/MAX15017的DC - DC轉換器輸入電壓范圍為7.5V至40V。
2. 輸出特性
- DC - DC轉換器輸出電壓可在1.26V至32V之間調節，最大負載電流可達1A。
- LDO線性調節器輸入電壓范圍為5V至40V，可保證輸出50mA的負載電流，預設輸出電壓為5V（MAX1501_A）或3.3V（MAX1501_B），也可通過外部電阻分壓器將輸出電壓調節在1.5V至11V之間。
二、關鍵特性
1. 高效的DC - DC轉換
- 控制方案：采用前饋電壓模式控制方案，在高壓開關環境中具有良好的抗噪聲能力。
- 頻率選擇：內部固定開關頻率為135kHz（MAX15014/MAX15016）或500kHz（MAX15015/MAX15017），還可通過SYNC輸入與外部時鐘信號同步。
- 輕載效率：自動切換到脈沖跳躍模式，提高輕載效率。
- 軟啟動：軟啟動時間可通過外部電容調節。
- 低靜態電流：DC - DC轉換器可獨立于LDO禁用，將靜態電流降低至47μA（典型值）。
2. 可靠的LDO調節
- 輸出電壓選擇：提供預設輸出電壓或可調節輸出電壓兩種模式。
- RESET輸出：具有可調節超時時間的RESET輸出，可用于監控LDO輸出電壓。
3. 全面的保護功能
- 過流保護：具備逐周期電流限制和打嗝模式輸出短路保護。
- 過熱保護：熱關斷功能可防止芯片在過熱情況下損壞。
4. 緊湊的封裝設計
采用節省空間、高功率（2.86W）的36引腳TQFN封裝，適用于 - 40°C至 + 125°C的汽車溫度范圍。
三、電氣特性詳解
1. 系統電源電流
- 非開關狀態下，不同型號的系統電源電流有所差異，如MAX15014/MAX15017在VFB = 1.3V時為0.7 - 1.8mA，MAX15015/MAX15016在VFB = 1.3V時為0.85 - 1.8mA。
- 開關狀態下，無負載時MAX15014/MAX15017的開關系統電源電流為5.6mA，MAX15015/MAX15016為8.6mA。
2. LDO靜態電流
- 當VEN_SYS = 14V，VEN_SW = 0V，ILDO_OUT = 100μA時，LDO靜態電流為47 - 63μA；當ILDO_OUT = 50mA時，為130 - 200μA。
3. 系統關斷電流
系統關斷時（VEN_SYS = 0V，VEN_SW = 0V），系統關斷電流為6 - 10μA。
4. 其他特性
- 欠壓鎖定閾值和滯后：不同型號的欠壓鎖定閾值不同，如MAX15014/MAX15017為6.7 - 7.4V，MAX15015/MAX15016為3.90 - 4.25V，欠壓鎖定滯后為0.3 - 0.54V。
- 輸出電壓范圍：DC - DC轉換器輸出電壓范圍為1.26 - 32V，輸出電流最大為1A。
四、應用信息
1. 輸出電壓設置
通過連接從OUT到FB再到SGND的電阻分壓器（R3和R4）來設置輸出電壓。選擇合適的R3和R4，以確保FB輸入偏置電流引起的直流誤差不影響輸出電壓設置精度。對于常見的輸出電壓設置（3.3V或5V），R3值在10kΩ左右即可。計算公式為： [R 4=frac{R 3}{left[frac{V{OUT }}{V{FB}}-1right]}] 其中(V_{FB}=1.235 ~V)。
2. 電感選擇
選擇電感時，需要考慮電感值（L）、峰值電感電流（IPEAK）和電感飽和電流（ISAT）三個關鍵參數。計算公式為： [L=frac{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}{V{IN } × f{SW} × Delta I{P-P}}] 建議選擇(Delta I_{P - P})等于滿載電流的40%，同時選擇ISAT規格高于最大峰值電流限制2.6A的電感。
3. 電容選擇
- 輸入電容：為了將輸入電壓紋波控制在設計要求范圍內，需要仔細選擇輸入電容。計算公式如下： [ begin{cases} Delta V{Q}=frac{I{OUT_MAX} times D}{f{SW} times C{IN}} Delta V{ESR}=ESR times Delta I{P - P} Delta V{RIPPLE}=Delta V{Q}+Delta V{ESR} end{cases} ] 其中(C{IN})是CDRAIN和降壓轉換器輸入處額外去耦電容的總和，(I{OUT_MAX})是最大輸出電流，(D)是占空比，(f{SW})是開關頻率。
- 輸出電容：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輸出電壓的最大偏差。計算公式如下： [ begin{cases} Delta V{Q}=frac{Delta I{P - P}}{8 times C{OUT} times f{SW}} Delta V{ESR}=ESR times Delta I{P - P} Delta V{RIPPLE}=Delta V{Q}+Delta V_{ESR} end{cases} ] 建議使用低ESR鉭/鋁電解電容和陶瓷電容的組合，以獲得更好的瞬態負載和電壓紋波性能。
4. 補償設計
MAX15014 - MAX15017采用電壓模式控制方案，需要進行補償設計以實現穩定的閉環系統。根據輸出電容的類型（陶瓷電容或高ESR電容），補償設計有所不同。
陶瓷電容（(f{C}{ZESR})）
- (C6=frac{1}{2 pi × f_{LC} × R3})
- (R5=frac{f{C} × L × C{OUT } × 2 pi}{C 6 × G_{MOD_DC }})
- (C7=frac{1}{0.5 × 2 pi × R 5 × f_{LC}})
- (R6=frac{1}{2 pi × C 6 timesleft(0.5 × f_{S W}right)})
- (C8=frac{C 7}{left(2 pi × C 7 × R 5 × f_{P 3}-1right)})
高ESR電容（(f{C}>f{ZESR})）
- (C6=frac{1}{2 pi × f_{LC} × R3})
- (R6=frac{C_{OUT } × ESR}{C 6})
- (R5=frac{R 3 × R 6}{R 3+R 6} × frac{f{C}^{2}}{G{MOD _D C} × f_{L C}^{2}})
- (C7=frac{1}{0.5 × 2 pi × R 5 × f_{LC}})
- (C8=frac{C 7}{2 pi × C 7 × R 5 × f_{P 3}-1})
5. LDO輸出電壓設置
LDO調節器具有雙模式操作：預設電壓模式和可調模式。預設電壓模式下，將SET_LDO連接到地；可調模式下，使用兩個外部電阻作為分壓器連接到SETLDO，計算公式為： [V{OUT }=V_{SETLDO }left(1+frac{R 1}{R 2}right)] 其中(V{SET_LDO}=1.241 ~V)，建議R2值約為50kΩ。
6. RESET超時延遲設置
通過在CT和SGND之間連接電容（(C{CT})）來調節RESET超時時間，計算公式為： [t{RP}=frac{C{CT} × V{CT - TH}}{I{CT - THQ}}] 其中(V{CT - TH}=1.241V)（典型值），(I_{CT - THQ}=2 × 10^{-6} ~A)（典型值）。
7. 功耗計算
芯片的總功耗包括LDO功耗、電源電流功耗、內部功率MOSFET開關損耗和通過內部功率MOSFET的RMS電流功耗。計算公式如下：
- 開關損耗： [ begin{cases} D=frac{V{OUT }}{V{IN }} I{PK}=I{OUT }+frac{Delta I{P - P}}{2} I{DC}=I{OUT }-frac{Delta I{P - P}}{2} I{RMS_MOSFET}=sqrt{frac{D}{3} timesleft[I{PK}^{2}+left(I{PK} × I{DC}right)+I{DC}^{2}right]} P{MOSFET }=left(I{RMS _MOSFET }right)^{2} × R{ON} end{cases} ]
- 內部MOSFET開關損耗： [P{S W}=frac{V{I N} × I{OUT } timesleft(t{R}+t{F}right) × f{S W}}{4}]
- 開關電源電流損耗： [P{Q}=V{IN - SW } × I_{SW}]
- LDO調節器損耗： [P{L D O}=left(V{I N _L D O}-V{L D O{-} O U T}right) × I{L D O{-}}]
- 總功耗： [P{TOTAL }=P{MOSFET }+P{SW}+P{Q}+P_{LDO}]
五、總結
MAX15014 - MAX15017系列芯片以其高性能、高集成度和全面的保護功能，為電子工程師提供了一個可靠的電源管理解決方案。在實際設計中，工程師需要根據具體應用需求，合理選擇電感、電容等外部元件，并進行適當的補償設計，以確保系統的穩定性和效率。你在使用這款芯片的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗。
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