探索MAX5065/MAX5067：雙相平均電流模式控制器的卓越性能與應用

在電子工程師的設計世界里，電源管理始終是核心課題。今天，我們將深入探討MAXIM推出的兩款雙相PWM控制器——MAX5065和MAX5067，它們在高輸出電流應用中展現出了出色的性能。

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一、產品概述

MAX5065/MAX5067采用雙相平均電流模式控制，能在緊湊封裝中提供高輸出電流能力，且所需外部組件極少。這種控制模式可實現低RDS(ON) MOSFET的最優利用，即使在輸出大電流時也無需外部散熱片。

關鍵特性

1. 輸入電壓范圍廣：支持+4.75V至+5.5V或+8V至+28V的輸入電壓范圍，適應多種電源環境。
2. 輸出電壓可調：MAX5065輸出電壓可調范圍為+0.6V至+3.3V，MAX5067為+0.8V至+3.3V，滿足不同負載需求。
3. 高輸出電流：可達60A的輸出電流，能應對高功率負載。
4. 內部電壓調節器：為+12V或+24V電源總線提供內部電壓調節。
5. 可編程自適應輸出電壓定位：實現最佳瞬態響應。
6. 真差分遠程輸出傳感：確保輸出電壓的精確控制。
7. 異相控制器：減少輸入電容需求，分散功率耗散。
8. 平均電流模式控制：各相和并聯模塊之間實現卓越的電流共享。
9. 精確電流限制：避免MOSFET和電感降額。
10. 反向電流限制：在并聯模塊中限制反向電流吸收。
11. 集成4A柵極驅動器：提供強大的驅動能力。
12. 可選固定頻率：每相可選250kHz或500kHz（兩相最高可達1MHz）。
13. 外部頻率同步：支持125kHz至600kHz的外部頻率同步。
14. 內部PLL與時鐘輸出：用于并聯多個DC - DC轉換器。
15. 熱保護：保障器件在高溫環境下的穩定運行。

封裝形式

MAX5065采用28引腳SSOP封裝，MAX5067采用44引腳薄型QFN封裝。

二、工作原理

控制環路

MAX5065/MAX5067采用平均電流模式控制方案來調節輸出電壓，主要控制環路由內部電流環路和外部電壓環路組成。

• 內部電流環路：由電流感測電阻、電流感測放大器、電流誤差放大器、振蕩器和PWM比較器組成。電流感測放大器將感測電阻上的電壓放大18倍，電流誤差放大器輸出是電壓誤差放大器輸出與電流感測放大器增益電壓的差值。RC補償網絡連接到CLP1和CLP2，為電流誤差放大器提供外部頻率補償。
• 外部電壓控制環路：由差分放大器、參考電壓和電壓誤差放大器組成。差分放大器提供輸出電壓的真差分遠程傳感，其輸出連接到電壓誤差放大器的反相輸入，電壓誤差放大器的同相輸入連接到內部精密參考電壓（MAX5065為+0.6V，MAX5067為+0.8V），電壓誤差放大器控制兩個內部電流環路。

內部振蕩器與PLL

內部振蕩器產生脈寬調制（PWM）電路所需的180°異相時鐘信號和2VP - P電壓斜坡信號。CLKIN是PLL的CMOS邏輯時鐘輸入，當外部驅動時，內部振蕩器鎖定到CLKIN信號。CLKOUT提供相對于CLKIN信號上升沿的相移輸出，PHASE引腳可設置CLKOUT的相移量。

自適應電壓定位

電壓定位可減少滿足給定瞬態響應要求所需的輸出電容器總數。通過設置空載輸出電壓略高于標稱負載條件下的輸出電壓，當輸出電流突然增加時，允許更大的電壓下降；在重負載下以較低輸出電壓調節，當輸出電流突然減小時，允許更大的電壓上升。可通過電壓誤差放大器的電阻反饋設置電壓定位窗口。

三、應用領域

1. 服務器和工作站：滿足高功率、高穩定性的電源需求。
2. 負載點高電流/高密度電信DC - DC調節器：適應電信設備的嚴格要求。
3. 網絡系統：為網絡設備提供穩定的電源。
4. 大容量內存陣列RAID系統：保障數據存儲設備的可靠運行。
5. 高端臺式計算機：滿足高性能計算機的電源需求。

四、設計要點

組件選擇

1. 電感選擇：開關頻率、每相峰 - 峰紋波電流和輸出允許紋波決定電感值。較高的開關頻率可降低電感要求，但會降低效率；較低的開關頻率會增加峰 - 峰電感紋波電流，但多相拓撲中的紋波抵消可降低輸入和輸出電容的RMS紋波電流。可使用公式(L{MIN }=frac{left(V{INMAX }-V{OUT }right) × V{OUT }}{V{IN } × f{SW} × Delta I_{L}})確定最小電感值，選擇電感時應確保其飽和電流大于最壞情況下的峰值電感電流。
2. 開關MOSFET選擇：選擇MOSFET時需考慮總柵極電荷、RDS(ON)、功率耗散和封裝熱阻。可使用相關公式估算MOSFET的功率損耗，并確保MOSFET封裝的熱阻使結溫至少比絕對最大額定值低25°C。
3. 輸入電容器選擇：降壓轉換器的不連續輸入電流波形會在輸入電容器中產生大紋波電流，開關頻率、峰值電感電流和允許的峰 - 峰電壓紋波決定電容要求。增加相數可提高有效開關頻率，降低輸入電容要求。可使用公式(C{IN}=frac{frac{I{OUT }}{N} × D(1-D)}{Delta V{Q} × f{S W}})和(ESR{IN}=frac{left(Delta V{ESR}right)}{left(frac{OUT }{N}+frac{Delta L}{2}right)})計算輸入電容和ESR。
4. 輸出電容器選擇：最壞情況下的峰 - 峰和電容RMS紋波電流、允許的峰 - 峰輸出紋波電壓以及階躍負載期間輸出電壓的最大偏差決定輸出電容和ESR要求。多相轉換器設計中，各相的紋波電流相互抵消，降低了紋波電流。可根據不同相數和占空比選擇合適的公式計算峰 - 峰輸出紋波，并使用公式(C{OUT }=frac{I{STEP } × t{RESPONSE }}{Delta V{Q}})和(ESR{OUT }=frac{Delta V{ESR}}{I_{STEP }})計算所需的ESR和電容值。
5. 電流限制：平均電流模式控制技術可準確限制最大輸出電流，可使用公式(R_{SENSE }=frac{0.045}{frac{ OUT }{N}})計算電流感測電阻值。
6. 反向電流限制：當VBUS高于預設輸出電壓時，MAX5065/MAX5067可限制反向電流，可根據公式(REVERSE =frac{2 × V_{CLR}}{RSENSE })計算最大反向電流。

補償設計

主控制環路由內部電流環路和外部電壓環路組成，通過電阻反饋設置電壓誤差放大器的增益，確保電感下降斜率不超過斜坡斜率，避免次諧波振蕩。可使用相關公式計算補償電阻和電容值。

PCB布局

1. 將VIN和VCC旁路電容器靠近MAX5065/MAX5067放置。
2. 最小化輸入電容、上開關MOSFET、電感和輸出電容到輸入電容負端的高電流環路面積和長度。
3. 縮短下開關MOSFET、電感和輸出電容的電流環路。
4. 將肖特基二極管靠近下MOSFET放置在PCB同一側。
5. 使SGND和PGND隔離，并在靠近輸入濾波電容負端的單點連接。
6. 使電流感測線CS +和CS - 以及遠程電壓感測線SENSE +和SENSE - 彼此靠近，避免穿過功率電路。
7. 避免VCC旁路電容器、MAX5065/MAX5067的驅動器輸出、MOSFET柵極和PGND引腳之間的長走線，最小化相關環路面積。
8. 將輸出電容器組靠近負載放置。
9. 在電路板上均勻分布功率組件，以實現良好的散熱。
10. 在開關MOSFET、電感和感測電阻周圍提供足夠的銅面積，以輔助散熱。
11. 使用至少4oz銅，以最小化走線電感和電阻。

五、保護功能

過壓保護（MAX5067）

OVP比較器將OVPIN輸入與過壓閾值（通常為+0.8V）進行比較，檢測到過壓事件時，將比較器輸出鎖定，使功率級進入OVP狀態，此時高端MOSFET關閉，低端MOSFET鎖定導通。可使用OVPOUT高電流輸出驅動器觸發外部撬棒SCR，以保護外部電路。

電源良好發生器（MAX5067）

PGOOD輸出在滿足以下條件時為高：輸出在編程輸出電壓的90%至108%范圍內；兩相都提供電流；EN為高。窗口比較器監控輸出電壓的過壓和欠壓情況，相故障比較器檢測相故障。

相故障檢測器（MAX5067）

正常工作時，CLP_上的電壓在PWM斜坡的峰 - 峰電壓范圍內。若某一相發生故障，控制環路會將CLP_電壓提高到其工作范圍之外。相故障檢測電路監控電流放大器的輸出（CLP1和CLP2），并將其與2.0V參考電壓進行比較，若CLP1或CLP2上的電壓高于參考電壓超過1250個時鐘周期，相故障電路將使PGOOD輸出為低。

六、并聯操作

對于需要大輸出電流的應用，可并聯多達三個MAX5065/MAX5067（六個相）以將可用輸出電流增加三倍。并聯轉換器以相同的開關頻率但不同的相位工作，可將電容紋波RMS電流降至最低。可通過設置PHASE引腳來調整相移，選擇合適的相移可使輸入和輸出電容的紋波電流最小。

七、總結

MAX5065/MAX5067雙相平均電流模式控制器憑借其出色的性能、豐富的功能和靈活的應用方式，為電子工程師在電源管理設計中提供了強大的工具。在實際應用中，合理選擇組件、進行補償設計和優化PCB布局，可充分發揮其優勢，滿足各種高功率、高性能的電源需求。你在使用MAX5065/MAX5067過程中遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗。