深入解析MAX8597/MAX8598/MAX8599：低 dropout、寬輸入電壓降壓控制器

一、引言

在電子設(shè)計領(lǐng)域，電源管理是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。對于需要高效、穩(wěn)定電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場景，降壓控制器起著關(guān)鍵作用。MAXIM推出的MAX8597/MAX8598/MAX8599電壓模式PWM降壓控制器，以其獨特的性能和豐富的功能，成為眾多工程師的首選。今天，我們就來深入了解一下這三款控制器。

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二、產(chǎn)品概述

2.1 基本特性

MAX8597/MAX8598/MAX8599設(shè)計用于4.5V至28V的輸入電源，能夠產(chǎn)生低至0.6V的輸出電壓。其采用的專有開關(guān)算法可將占空比擴展至>99.5%，實現(xiàn)低dropout設(shè)計。與傳統(tǒng)使用p溝道高端MOSFET實現(xiàn)高占空比的降壓調(diào)節(jié)器不同，這三款控制器驅(qū)動n溝道MOSFET，從而實現(xiàn)高效率和高電流能力的設(shè)計。

2.2 產(chǎn)品差異

• MAX8597：采用20引腳薄型QFN封裝，適用于使用模擬信號控制輸出電壓并具有可調(diào)偏移的應(yīng)用，如直流風扇速度控制。它還針對芯片組、ASIC和DSP核心以及I/O電源的跟蹤輸出電壓應(yīng)用進行了優(yōu)化。此外，它內(nèi)部有一個未使用的運算放大器，可實現(xiàn)更多功能。
• MAX8598/MAX8599：采用16引腳薄型QFN封裝，沒有未使用的運算放大器、參考輸入和參考輸出，但提供開漏、電源正常輸出（POK），便于進行電源排序。其中，MAX8599還具備輸出過壓保護功能。

三、電氣特性

3.1 絕對最大額定值

在使用這三款控制器時，必須注意其絕對最大額定值。例如，V+和ILIM到GND的電壓范圍為 -0.3V至 +30V，AVL和VL到GND的電壓范圍為 -0.3V至 +6V等。超出這些額定值可能會對設(shè)備造成永久性損壞。

3.2 電氣參數(shù)

涵蓋了各種參數(shù)，如V+的工作范圍為5.5V至28.0V，VL調(diào)節(jié)器的輸出電壓在5.5V < VV+ < 28V、1mA < ILOAD < 35mA時為4.7V至5.3V等。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計電路時提供了重要的參考依據(jù)。

四、工作原理

4.1 DC - DC控制器

采用PWM電壓模式控制方案，內(nèi)部高帶寬（25MHz）運算放大器作為誤差放大器來調(diào)節(jié)輸出電壓。通過將輸出電壓與內(nèi)部0.6V參考或REFIN（MAX8597）進行比較，生成誤差信號，再與固定頻率斜坡進行比較，以確定合適的占空比，從而維持輸出電壓的穩(wěn)定。

4.2 電流限制

通過檢測峰值電感電流來實現(xiàn)恒流和打嗝電流限制。當感測元件兩端的電壓超過由ILIM設(shè)置的電流限制閾值時，控制器立即關(guān)閉高端MOSFET，低端MOSFET開啟，讓電感電流下降。當FB下降到其標稱閾值的30%以下時，輸出欠壓保護觸發(fā)，控制器進入打嗝模式，以限制功耗。

4.3 同步整流器驅(qū)動（DL）

同步整流通過用低電阻MOSFET開關(guān)代替普通肖特基捕獲二極管，降低了整流器中的傳導損耗。同時，它還確保了升壓柵極驅(qū)動電路的正確啟動。

4.4 高端柵極驅(qū)動電源（BST）

高端n溝道MOSFET的柵極驅(qū)動電壓由外部飛跨電容和二極管升壓電路產(chǎn)生。當同步整流器導通時，電容從VL電源充電；當同步整流器關(guān)閉時，電容上的電壓疊加在LX上，為高端MOSFET提供必要的導通電壓。

4.5 內(nèi)部5V線性調(diào)節(jié)器

提供高達35mA的電流，為外部MOSFET提供柵極驅(qū)動，并為IC的內(nèi)部電路供電。其輸出（VL）需要用陶瓷電容進行旁路。

4.6 欠壓鎖定（UVLO）

當VVL下降到3.75V（典型值）以下時，欠壓鎖定電路會抑制開關(guān)操作，強制POK（MAX8598/MAX8599）為低電平，同時強制DH和DL為低電平。當VVL上升到4.2V（典型值）以上時，控制器進入啟動模式。

4.7 啟動

滿足EN為高電平、VVL > 4.2V（典型值）、軟啟動電壓VSS超過VFB以及不超過熱限制這四個條件時，控制器開始開關(guān)操作，并啟動軟啟動周期。

4.8 電源正常信號（POK）

POK是一個開漏輸出，當FB高于其標稱閾值的91%時，變?yōu)楦咦杩埂Ｓ邪藗€時鐘周期的延遲，之后POK變?yōu)楦咦杩埂?/p>

4.9 輸出欠壓保護（UVP）

當控制器達到電流限制且VFB低于其標稱閾值的30%時，輸出欠壓保護啟動。控制器會驅(qū)動DH和DL為低電平，并以5μA的下拉電流放電軟啟動電容，直到VSS達到50mV，然后重新進入軟啟動模式。

4.10 輸出過壓保護（OVP，MAX8599）

持續(xù)監(jiān)測輸出電壓，當輸出電壓超過其標稱設(shè)定值的117%時，經(jīng)過12μs（典型值）的延遲后觸發(fā)OVP。MAX8599會鎖定DH為低電平，關(guān)閉高端MOSFET，鎖定DL為高電平，開啟低端MOSFET，將輸出鉗位到PGND。

4.11 熱過載保護

當結(jié)溫超過 +160°C時，熱傳感器會關(guān)閉設(shè)備，強制DH和DL為低電平，使IC冷卻。當結(jié)溫下降10°C后，熱傳感器會重新開啟設(shè)備。

五、設(shè)計步驟

5.1 設(shè)置輸出電壓

• 固定輸出電壓：通過從輸出到GND的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置輸出電壓，F(xiàn)B位于中心抽頭。
• 實時可調(diào)輸出電壓：對于MAX8597，可以使用未使用的運算放大器，通過電壓源（VADJ）調(diào)節(jié)輸出電壓。需要定義最小和最大輸出電壓、對應(yīng)的輸入電壓等參數(shù)，并根據(jù)相應(yīng)公式計算電阻值。

5.2 電感選擇

考慮輸入電壓、輸出電壓、負載電流、開關(guān)頻率和LIR（電感電流紋波與直流負載電流的比值）等參數(shù)。一般選擇30%的LIR作為折衷方案，根據(jù)公式計算電感值，并選擇具有低直流電阻和合適飽和電流額定值的電感。

5.3 輸入電容

輸入濾波電容用于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。根據(jù)公式計算紋波電流要求，推薦使用陶瓷電容。

5.4 輸出電容

關(guān)鍵選擇參數(shù)包括實際電容值、等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL）和電壓額定要求。通過相關(guān)公式估算最壞情況下的紋波，并考慮負載瞬態(tài)響應(yīng)。

5.5 MOSFET選擇

選擇外部邏輯電平n溝道MOSFET作為電路開關(guān)元件，關(guān)鍵參數(shù)包括導通電阻（RDS(ON)）、最大漏源電壓（VDSS）和柵極電荷（Qg、Qgd、Qgs）。需要分別計算高端和低端MOSFET的損耗，并考慮散熱設(shè)計。

5.6 設(shè)置電流限制

通過外部電阻與內(nèi)部200μA電流沉共同設(shè)置峰值電流限制閾值。當使用高端MOSFET的RDS(ON)進行電流感測時，需要考慮溫度對RDS(ON)的影響以及200μA電流沉的容差。

5.7 選擇軟啟動電容

外部電容從SS到GND由內(nèi)部5μA電流源充電到相應(yīng)的反饋閾值，根據(jù)公式計算軟啟動時間。

5.8 補償設(shè)計

采用電壓模式控制方案，使用Type III補償方案來補償輸出低通LC濾波器引入的增益下降和相移，以實現(xiàn)穩(wěn)定的高帶寬閉環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)交叉頻率與輸出電容ESR零頻率的關(guān)系，分為兩種情況進行設(shè)計。

六、應(yīng)用信息

6.1 PC板布局指南

• 高側(cè)MOSFET應(yīng)靠近低側(cè)MOSFET，并通過10μF或更大的陶瓷電容緊密去耦。
• IC的引腳去耦電容應(yīng)盡可能靠近引腳。
• 電流限制設(shè)置電阻應(yīng)直接從ILIM連接到高側(cè)MOSFET的漏極。
• 保持LX節(jié)點與IC引腳的連接和與飛跨升壓電容的連接分開。
• 電源接地平面和信號接地平面應(yīng)分開，并在輸出電容的接地處連接在一起。
• RC緩沖電路應(yīng)盡可能靠近低側(cè)MOSFET。
• 保持高電流路徑盡可能短。
• 將MOSFET的漏極連接到大面積銅區(qū)域，以幫助散熱。
• 確保反饋連接短而直接，反饋電阻應(yīng)盡可能靠近IC。
• 高速開關(guān)節(jié)點應(yīng)遠離敏感模擬區(qū)域。

七、總結(jié)

MAX8597/MAX8598/MAX8599降壓控制器以其豐富的功能和出色的性能，為電子工程師提供了一個強大的電源管理解決方案。在設(shè)計過程中，需要仔細考慮各個方面的參數(shù)和特性，遵循合理的設(shè)計步驟和布局指南，以確保電路的穩(wěn)定運行和高效性能。希望本文能為工程師們在使用這三款控制器時提供一些有益的參考。你在實際應(yīng)用中是否遇到過相關(guān)問題？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。