筆記本電腦高效四路輸出主電源控制器MAX1777/MAX1977/MAX1999解析

在筆記本電腦的電源設計領域，電源控制器的性能直接影響著整個系統的效率、穩定性和可靠性。MAXIM推出的MAX1777/MAX1977/MAX1999系列電源控制器，為筆記本電腦的電源設計提供了出色的解決方案。下面我們就來深入了解一下這一系列控制器。

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產品概述

MAX1777/MAX1977/MAX1999是雙降壓、BiCMOS開關模式電源控制器，專為筆記本電腦生成邏輯電源電壓。它們主要用于電池供電的應用，在這些應用中，高效率和低靜態電源電流至關重要。

產品特性

1. 電流檢測方式多樣：MAX1999無需電流檢測電阻，而MAX1777/MAX1977可通過電流檢測電阻進行精確的電流檢測。
2. 輸出電壓精度高：具有1.5%的輸出電壓精度。
3. 集成線性穩壓器：包含兩個線性穩壓器，提供5V和3.3V始終開啟的輸出，每個線性穩壓器可提供高達100mA的輸出電流。
4. 多種工作模式：具備內部軟啟動和軟停止輸出放電功能，防止關機時出現負電壓；擁有Quick - PWM模式，負載階躍響應時間為100ns；支持3.3V和5V固定或可調輸出（雙模式?）；輸入電壓范圍為4.5V至24V；具備超聲波脈沖跳躍模式（最低25kHz）；提供電源良好（PGOOD）信號。

產品型號差異

• MAX1777：采用200kHz/5V和300kHz/3.3V的開關模式電源（SMPS），以實現最高效率。
• MAX1977：采用400kHz/5V和500kHz/3.3V的SMPS，適用于“輕薄”應用。
• MAX1999：提供引腳可選的開關頻率，可選擇200kHz/300kHz或400kHz/500kHz的5V/3.3V SMPS工作模式。

電氣特性分析

主SMPS控制器

• 輸入電壓范圍：LDO5處于穩壓狀態時，V +輸入電壓范圍為4.5V至24V。
• 輸出電壓：在固定模式下，3.3V輸出電壓為3.27V至3.39V，5V輸出電壓在不同型號和條件下有所不同；在可調模式下，輸出電壓范圍為1.97V至2.03V，輸出電壓調整范圍為2.0V至5.5V。
• 電流限制閾值：默認正電流限制閾值為90mV至110mV，可通過ILIM_引腳進行調整。

內部穩壓器和參考電壓

• LDO5輸出電壓：在6V < V + < 24V，0 < ILDO5 < 100mA的條件下，輸出電壓為4.90V至5.10V。
• LDO3輸出電壓：在相同條件下，輸出電壓為3.27V至3.43V。
• REF輸出電壓：無外部負載時，輸出電壓為1.975V至2.025V。

故障檢測

• 過壓保護：當輸出電壓高于標稱調節點8%至14%時，過壓保護觸發。
• 欠壓保護：當輸出電壓低于標稱輸出電壓65%至75%時，欠壓保護觸發。
• PGOOD信號：用于監測輸出電壓的欠壓情況，當輸出電壓低于標稱值10%時，PGOOD信號拉低。

工作模式及原理

Quick - PWM控制架構

這是一種偽固定頻率、恒定導通時間、具有電壓前饋的電流模式控制架構。它依靠輸出紋波電壓提供PWM斜坡信號，輸出濾波電容的ESR充當電流反饋電阻。高側開關導通時間由一個單穩態觸發器決定，該觸發器的周期與輸入電壓成反比，與輸出電壓成正比。

自動脈沖跳躍切換（空閑模式）

在空閑模式（SKIP = GND）下，輕負載時會自動切換到脈沖頻率調制（PFM）模式。這種切換由一個比較器控制，該比較器在電感電流過零時截斷低側開關導通時間。

強制PWM模式

低噪聲的強制PWM模式（SKIP = VCC）禁用零交叉比較器，使低側柵極驅動波形成為高側柵極驅動波形的互補波形。該模式可保持開關頻率相對恒定，但空載電池電流可能會達到10mA至50mA。

最小25kHz脈沖跳躍模式（超聲波模式）

將SKIP引腳懸空或連接到REF可激活超聲波脈沖跳躍模式，該模式的最低開關頻率為25kHz，可減少輕負載時電源的音頻頻率調制。

設計要點

電感選擇

電感值由開關頻率和電感紋波電流比（LIR）決定，計算公式為(L=frac{V{OUT }left(V+-V{OUT }right)}{V+× f × LIR × I_{LOAD(MAX) }})。同時，要選擇低損耗、直流電阻盡可能低的電感，確保其在峰值電感電流下不會飽和。

電流限制確定

最小電流限制閾值必須能夠支持最大負載電流，計算公式為(LIMIT(LOW) > ILOAD(MAX) - [(LIR/2) × ILLOAD( MAX )])。

輸出電容選擇

輸出濾波電容的等效串聯電阻（ESR）要足夠低，以滿足輸出紋波和負載瞬態要求，計算公式為(R{ESR} leq frac{V{P - P}}{LIR × I{LOAD(MAX) }})和(R{E S R} leq frac{V_{DIP }}{ LOAD(MAX) })。

穩定性考慮

穩定性由ESR零點頻率（fESR）與開關頻率（f）的相對值決定，不穩定的表現包括雙脈沖和快速反饋環路不穩定。可通過施加快速負載瞬態并觀察輸出電壓紋波包絡來檢查穩定性。

輸入電容選擇

輸入電容要滿足輸入紋波電流要求，輸入RMS電流計算公式為(I{RMS } approx I{LOAD }left(frac{sqrt{V{OUT {-}}left(V+-V{OUT {-}}right)}}{V_{+}}right))。優先選擇非鉭電容，以降低ESR和提高抗上電浪涌電流能力。

功率MOSFET選擇

高側MOSFET的導通損耗和開關損耗要在典型電池電壓下相等，以實現最大效率；同步整流器要選擇RDS(ON)盡可能低的型號。

整流器選擇

在同步整流器兩端并聯肖特基二極管，可降低正向電壓降，提高效率。二極管的直流電流額定值應為負載電流的三分之一，反向擊穿電壓額定值要至少等于最大輸入電壓。

PCB布局指南

• 隔離敏感元件：使用接地屏蔽將電源組件與敏感模擬組件隔離開，避免AC電流引入PGND3和PGND5接地平面。
• 采用星形接地：在電源平面使用星形接地連接，以最小化OUT3和OUT5之間的串擾。
• 縮短高電流路徑：保持高電流路徑短，特別是在接地端子處，以確保穩定、無抖動的操作。
• 合理布線：將高速開關節點（BST、DH、LX和DL）遠離敏感模擬區域（REF、ILIM和FB），使用PGND3和PGND5作為EMI屏蔽。

應用信息

降壓性能

連續導通操作的輸出電壓調整范圍受非可調的350ns（最大）最小關斷時間單穩態觸發器限制。在可調反饋模式下，使用較慢的5V SMPS作為兩個輸出電壓中較高的一個，可獲得最佳降壓性能。

耦合電感的使用

可使用耦合電感或變壓器創建輔助輸出，MAX1777/MAX1977/MAX1999適用于此類應用，可配置為超聲波或強制PWM模式，以確保主電源輕載時的良好負載調節。

MAX1777/MAX1977/MAX1999系列電源控制器憑借其豐富的功能和出色的性能，為筆記本電腦的電源設計提供了可靠的解決方案。在實際設計過程中，工程師需要根據具體應用需求，合理選擇電感、電容、MOSFET等元件，并遵循PCB布局指南，以確保電源系統的高效、穩定運行。大家在使用這些控制器時，是否遇到過一些獨特的問題呢？歡迎在評論區分享交流。