MAX8513/MAX8514：寬輸入、高頻三輸出電源芯片的全面解析

在現代電子設備中，穩定且高效的電源管理至關重要，尤其是對于xDSL調制解調器、路由器、網關和機頂盒等設備。Maxim Integrated推出的MAX8513/MAX8514寬輸入、高頻三輸出電源芯片，集成了電壓模式PWM降壓DC - DC控制器、兩個LDO控制器、電壓監視器和上電復位功能，為這些設備提供了低成本的電源解決方案。

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一、產品概述

MAX8513/MAX8514集成度高，能為xDSL調制解調器、路由器、網關和機頂盒等提供穩定的電源和監控功能。其DC - DC控制器的開關頻率可通過外部電阻在300kHz至1.4MHz之間調節，能根據不同需求優化成本、尺寸和效率。對于對噪聲敏感的應用，還可同步到外部時鐘，減少噪聲干擾。此外，該芯片還具備可調節的軟啟動和折返電流限制功能，提供可靠的啟動和故障保護。

二、產品特性

（一）電源控制與調節

• 寬輸入范圍：支持4.5V至28V的輸入電壓，適應多種電源環境。
• 可調節開關頻率：300kHz至1.4MHz的可調范圍，能在不同場景下實現成本、尺寸和效率的平衡。
• 低噪聲設計：適用于高數據速率xDSL應用，減少噪聲對系統的影響。
• 同步功能：可同步到外部時鐘，進一步降低噪聲干擾。

（二）保護與監控

• 可調節軟啟動：避免啟動時的電流沖擊，保護電路元件。
• 無損可調折返電流限制：在短路或過載時，降低電流以保護芯片和外部元件。
• 上電復位：具有140ms延遲，確保所有輸出達到穩定后再發出復位信號。
• 輸入電源故障警告：可設置可調的輸入電源故障警告，用于系統的有序關機。

（三）輸出配置

• 輸出電壓排序或跟蹤：可選擇輸出電壓的上電順序或實現輸出電壓跟蹤，滿足不同系統需求。

三、電氣特性

（一）輸入與電源

• 輸入電壓范圍：一般為5.5V至28V，當IN = VL時為4.5V至5.5V。
• 輸入電源電流：在不同條件下有不同的值，如在特定條件下，輸入電源電流為2.6mA至3.2mA，關機電流為200μA至300μA。

（二）各輸出端特性

• OUT1（降壓轉換器）：輸出電壓范圍為1.25V至5.5V，具有多種電氣參數，如FB1調節閾值、誤差放大器開環電壓增益等。
• OUT2（正LDO）：SUP2工作范圍為4.5V至28.0V，具有特定的調節電壓、輸入偏置電流等參數。
• OUT3P（正PNP LDO，僅MAX8513）：DRV3P工作范圍為1V至28V，有相應的調節電壓和跨導參數。
• OUT3N（負NPN LDO控制器，僅MAX8514）：SUP3N工作范圍為1.5V至5.5V，具備特定的調節電壓和跨導特性。

（三）其他特性

• 參考電壓：REF輸出電壓在特定電流范圍內為1.231V至1.269V。
• 振蕩器：頻率可通過RFREQ電阻調節，不同電阻值對應不同的頻率范圍。

四、工作原理

（一）DC - DC控制器

采用PWM電壓模式控制方案，通過內部高帶寬（25MHz）運算放大器作為誤差放大器，將輸出電壓與內部1.25V參考電壓比較，生成誤差信號，再與固定頻率斜坡比較，確定合適的占空比以維持輸出電壓穩定。在內部時鐘上升沿且低側MOSFET柵極驅動為0V時，高側MOSFET導通；當斜坡電壓達到誤差放大器輸出電壓時，高側MOSFET鎖止關閉，直到下一個時鐘脈沖。

（二）電流限制

可通過電感的直流電阻進行無損電流檢測，或通過串聯電阻進行更精確的檢測。當檢測電路的峰值電壓超過由ILIM設置的電流限制閾值時，控制器關閉高側MOSFET并打開低側MOSFET。電流限制閾值可通過兩個外部電阻設置，實現折返電流限制和短路保護。

（三）同步整流驅動器（DL）

用低導通電阻的MOSFET開關代替普通肖特基續流二極管，降低整流器的導通損耗，同時確保升壓柵極驅動電路的正常啟動。

（四）高側柵極驅動電源（BST）

通過飛電容升壓電路為高側N溝道MOSFET生成柵極驅動電壓。啟動時，同步整流器（低側MOSFET）將LX接地，對升壓電容充電；在第二個半周期，控制器通過閉合BST和DH之間的內部開關打開高側MOSFET。

（五）內部5V線性穩壓器

除正輸出LDO（帶NFET或NPN）和負LDO（MAX8514）外，所有功能均由片上低壓差5V穩壓器供電，其輸入連接到IN。當VIN大于5.5V時，VVL通常為5V；當VIN在4.5V至5.5V之間時，需將VL短接到IN。

（六）欠壓鎖定

當VVL降至3.8V以下時，欠壓鎖定（UVLO）電路禁止開關操作，強制POR和PFO為低電平，強制DL和DH柵極驅動器為低電平。當VVL升至3.9V以上時，控制器為輸出上電。

（七）啟動

當VVL超過3.9V的UVLO閾值，且滿足內部參考電壓超過其標稱值的90%、未超過熱限制這兩個條件時，降壓控制器開始開關并啟用軟啟動。軟啟動電路逐漸升至參考電壓，控制降壓控制器的上升速率，減少輸入浪涌電流。

（八）輸出電壓排序與跟蹤

• 輸出電壓排序：將SEQ連接到GND，可實現交錯輸出排序。此時，VOUT1先上升，達到標稱調節值的90%時，VOUT2軟啟動；VOUT2達到標稱調節值的90%時，VOUT3軟啟動。
• 輸出電壓跟蹤：將SEQ連接到VL，所有輸出同時上升，外部串聯調整晶體管在達到各自的調節限制之前完全導通，LDO的輸出跟蹤DC - DC降壓輸出（OUT1）。

（九）上電復位

當所有輸出達到其標稱調節值的90%后315ms，上電復位（POR）信號變為高電平，表明所有輸出已穩定在標稱調節電壓。

（十）輸入電源故障檢測（PFI和PFO）

通過內置比較器和外部電阻分壓器檢測輸入電壓，當輸入電壓下降并觸發比較器時，電源故障輸出（PFO）變為低電平，用于輸入電源故障警告，實現系統的有序關機。

（十一）啟用與同步

可通過SYNC/EN引腳的高低電平控制芯片的開關狀態。當SYNC/EN由外部時鐘驅動時，內部振蕩器將SYNC/EN時鐘的上升沿與DH的高電平同步，控制器在兩個周期內與外部時鐘同步，且SYNC/EN的頻率需在RFREQ設置值的±30%范圍內。

五、設計要點

（一）元件選擇

• 電感：根據輸出電壓、輸入電壓、開關頻率和最大輸出電流等參數選擇合適的電感值。電感值計算公式為： [L=frac{V{OUT 1} timesleft(V{IN }-V{OUT 1}right)}{V{IN } times f{S} times I{OUT1_MAX } times LIR }]
• 輸入電容：用于減少從電源汲取的峰值電流，降低輸入電壓的紋波。推薦使用陶瓷電容，其具有低ESR和ESL，成本相對較低。對于需要輸入電源故障警告的應用，需添加一個大值電解電容作為本地儲能裝置。輸入電容的選擇需滿足紋波電流要求，其計算公式為： [I{IN_RMS}=frac{I{OUT1} times V{OUT 1} timesleft(V{IN }-V{OUT 1}right)}{V{IN }}]
• 輸出電容：關鍵參數包括實際電容值、等效串聯電阻（ESR）、等效串聯電感（ESL）和電壓額定值。這些參數會影響輸出的穩定性、紋波電壓和瞬態響應。輸出紋波由電容存儲電荷的變化、電容ESR上的電壓降和ESL上的電壓降組成，計算公式如下： [V{RIPPLE(ESR) }=I{P-P } times R{ESR}] [V{RIPPLE(C)}=frac{I{P-P}}{8 times C{OUT } times f{S}}] [V{RIPPLE(ESL)}=frac{V{IN} times ESL}{L1A + ESL}] [I{P - P}=left(frac{V{IN}-V{OUT 1}}{f{S} L}right)left(frac{V{OUT 1}}{V{IN}}right)] [V{RIPPLE }=V{RIPPLE(C)}+V{RIPPLE(ESR) }+V_{RIPPLE(ESL) }]
• MOSFET：根據輸出電流、耐壓、導通電阻等參數選擇合適的MOSFET。同時，需考慮MOSFET的開關損耗和驅動能力，相關功率損耗計算公式如下： [P{Q 2 C C}=left(1-frac{V{OUT 1}}{V{IN }}right) times I{OUT 1}^2 times R{DS_o N}] [P{Q 2 D C}=2 times I{OUT 1} times V{F} times t{d t} times f{S}] [P{Q 2} TOTAL =P{Q 2 CC}+P{Q 2 DC}] [P{Q 1 C C}=frac{V{OUT 1}}{V{IN }} times I{OUT 1} times R{DS_ON }] [P{Q 1 S W}=V{IN} times I{OUT 1} times f{S} times frac{left(Q{G S}+Q{G D}right)}{I{GATE }}] [I{GATE }=frac{2.5 V}{left(R{DH}+R{GATE}right)}] [P{Q 1 D R}=Q{G S} times V{G S} times f{S} times frac{R{G A T E}}{left(R{G A T E}+R{D H}right)}] [P{Q 1}=P{Q 1 C C}+P{Q 1 S W}+P_{Q 1 D R}]

（二）電流限制設置

• 折返電流限制：通過外部電阻分壓器（R17和R18）從VOUT1連接到ILIM再到GND設置電流限制閾值。首先選擇折返電流限制比（PFB），通常設置為0.5，然后根據以下公式計算R17和R18的值： [P{FB}=frac{I{LIMIT@0V }}{I{LIMIT }}] [R 17=frac{left(P{F B} times V{OUT 1}right)}{4.7 mu A timesleft(1-P{F B}right)}] [R 18=frac{left(7.5 times R{CS_MAX } times I{LIMIT } timesleft(1-P{FB}right)right) times R 17}{V{OUT 1}-left(7.5 times R{CS_MAX } times I{LIMIT } timesleft(1-P_{FB}right)right)}]
• 恒定電流限制：將ILIM連接到VL可實現默認的170mV（典型值）電流限制閾值。選擇的檢測電阻值需滿足： [R{CS_MAX } times I{LIMIT }<151 mV]

（三）補償設計

根據輸出電容的類型（陶瓷或電解）和開關頻率，采用不同的補償設計方法，以確保系統的穩定性和高帶寬。

• 陶瓷輸出電容（fc < fZESR，適用于高開關頻率）： [G{MOD(fc)}=G{MOD(DC)}left(frac{f{PMOD}}{f{C}}right)^{2}] 誤差放大器的增益在fc處需有+20dB/decade的斜率，通過設置合適的零點和極點頻率來實現。 [f{Z 1}=frac{1}{2 pi times R 3 times C 5}] [f{Z 2}=frac{1}{2 pi times(R 1+R 4) times C 11}] [f{P 2}=frac{1}{2 pi times R 4 times C 11}] [f{P 3}=frac{1}{2 pi times R 3 timesleft(frac{C 5 times C 12}{C 5+C 12}right)}]
• 電解輸出電容（fc > fZESR，適用于低開關頻率）： [G{MOD(fc)}=G{MOD(DC)}frac{f{PMOD}^2}{f{ZESR} times f_{C}}] 誤差放大器的增益在fc處需有0dB/decade的斜率，同樣通過設置合適的零點和極點頻率來實現。

（四）線性穩壓器設計

• OUT2電壓選擇：通過連接電阻分壓器（R5和R6）從OUT2到FB2再到GND來設置輸出電壓，同時確定最小輸出電流。 [I{OUT2_MAX }/I{OUT2_MIN } = 333] [I{OUT2_MIN }=frac{0.8V}{R6}] [R5 = R6 timesleft(frac{V{OUT2}}{0.8V}-1right)]
• OUT2穩定性：采用跨導放大器驅動NMOS晶體管的柵極，輸出電容（C6）用于旁路輸出，反饋電阻（R5和R6）設置輸出電壓參考點和最小負載。通過合理選擇補償電容（CA）和電阻（RA）來確保系統的穩定性和良好的瞬態響應。

（五）PCB布局

• 去耦電容：盡可能靠近IC引腳放置，以減少電源噪聲。
• 接地平面：將功率接地平面和信號接地平面分開，最后在IC處單點連接。
• 反饋連接：確保所有反饋連接短而直接，反饋電阻盡量靠近IC。
• 高速節點：將高速開關節點遠離敏感模擬區域，避免干擾。
• 電流檢測路徑：CSP和CSN的電流檢測路徑應平行且靠近，以消除噪聲拾取。

六、應用場景

MAX8513/MAX8514適用于多種需要穩定電源供應和監控的設備，如xDSL調制解調器、電纜調制解調器、ISDN調制解調器、路由器、無線接入點、機頂盒等。其寬輸入范圍、可調節開關頻率和多種保護功能，使其能滿足不同應用的需求。

總之，MAX8513/MAX8514是一款功能強大、性能穩定的電源管理芯片，在設計過程中，工程師需根據具體應用需求，合理選擇元件、設置參數和進行PCB布局，以充分發揮其優勢，實現高效、穩定的電源供應。你在使用這款芯片的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區交流分享。