Maxim CMOS微功耗反相開關(guān)穩(wěn)壓器MAX634/MAX4391的設(shè)計與應(yīng)用

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)。今天要和大家分享的是Maxim公司的兩款CMOS微功耗反相開關(guān)穩(wěn)壓器——MAX634和MAX4391，它們在電源轉(zhuǎn)換方面具有獨特的優(yōu)勢。

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1. 產(chǎn)品概述

MAX634和MAX4391是專為簡單、高效的反相DC - DC轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計的CMOS DC - DC穩(wěn)壓器。它們將所有控制和功率處理功能集成在一個緊湊的8引腳封裝中，包括1.25V帶隙基準、振蕩器、用于輸出電壓調(diào)節(jié)的比較器以及一個525mA的P溝道輸出MOSFET，還提供了一個用于方便進行低電池檢測的比較器。

這兩款器件是Raytheon雙極電路RC4391的引腳兼容升級版，具有更高的效率、更寬的低電壓工作范圍以及更高的輸出電壓精度（MAX634）。

2. 產(chǎn)品特性

2.1 電壓轉(zhuǎn)換

能夠?qū)⒄妷恨D(zhuǎn)換為負電壓，滿足不同電路對負電源的需求。

2.2 低工作電流

典型工作電流僅為100μA，且?guī)缀跖c輸出開關(guān)電流和占空比無關(guān)，即使在低功耗電池供電系統(tǒng)中也能確保高效率。

2.3 緊湊封裝

采用8引腳MiniDIP和SO封裝，節(jié)省電路板空間。

2.4 高效率

典型效率可達85%，有效降低功耗。

2.5 低電池檢測功能

方便監(jiān)測電池電量，及時采取措施。

2.6 輸出電壓精度

MAX634的輸出電壓精度為4%，提供穩(wěn)定的輸出電壓。

2.7 寬輸入電壓范圍

輸入電壓范圍為+3V至+16.5V，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。

2.8 可調(diào)輸出電壓

使用簡單線圈時輸出電壓可達 - 20V，配合變壓器時輸出電壓幾乎無限制。

3. 工作原理

3.1 基本電路操作

以圖2所示的標準電路為例，當引腳8的反饋電壓高于地時，引腳5的P溝道MOSFET導通，電感充電；當MOSFET關(guān)斷時，電感的“反沖”通過二極管D1拉動電流，對輸出濾波電容C1進行負向充電。這個循環(huán)不斷重復，直到輸出電壓將反饋輸入（引腳8）拉到地以下。

3.2 振蕩器

MAX634/MAX4391的振蕩器僅使用一個外部電容Cx連接在引腳3和地之間。47pF的電容可將振蕩器頻率設(shè)置為約40kHz，也可以使用CMOS門從地到+Vs擺動來外部驅(qū)動振蕩器。當Cx引腳被外部驅(qū)動為高電平時，Lx輸出始終關(guān)閉。

3.3 低電池檢測器

當?shù)碗姵?a target="_blank">電阻（引腳1）的輸入電壓低于+1.25V時，低電池檢測器（LBD）輸出（引腳2）吸收電流。LBR輸入是高阻抗CMOS輸入，漏電流小于10nA，LBD輸出是一個開漏N溝道MOSFET，輸出電阻約為50Ω。可以使用外部分壓器調(diào)整低電池檢測器的工作電壓。

4. 外部組件選擇

4.1 電感值

反相DC - DC電壓轉(zhuǎn)換器的可用輸出電流由外部電感的值、輸出電壓、輸入電壓和工作頻率決定。電感需要滿足正確的電感值、能夠處理峰值電流以及具有可接受的串聯(lián)電阻和磁芯損耗等條件。計算公式如下： [L{MAX }=frac{left(V{IN} T{ON}right)^{2} f}{2 P{OUT }}] [L{MIN}=frac{V{IN} f{ON}}{I{MAX }}] 其中，Imax是允許的最大Lx峰值電流（525mA）。需要注意的是，降低電感值可以增加可用輸出電流。

4.2 外部二極管

在大多數(shù)MAX634電路中，電感電流在Lx開啟下一個輸出脈沖之前會歸零，因此可以使用關(guān)斷速度較慢的二極管。但為了避免開啟時的過度損耗，二極管必須具有快速開啟時間。對于低功率應(yīng)用，1N914或1N4148是合適的選擇；對于高功率應(yīng)用，1N5817系列肖特基二極管或其等效產(chǎn)品更為合適，而1N4001系列整流二極管由于開啟速度慢，會導致過度損耗，不適合使用。

4.3 濾波電容

輸出濾波電容（圖2中的C1）存儲電感傳遞的能量，并向負載提供電流。輸出電壓紋波直接受輸出濾波電容的電容值和等效串聯(lián)電阻（ESR）的影響。紋波由兩部分組成，一部分是電容存儲電荷變化產(chǎn)生的，另一部分是電容充放電電流與ESR的乘積。

4.4 振蕩器電容Cx

振蕩器電容可以使用低成本的陶瓷電容。如果電路要在較寬的溫度范圍內(nèi)工作，應(yīng)使用電容溫度系數(shù)較低的電容。Cx的值可以使用公式[C{X}=frac{2.14 × 10^{-6}}{1}-C{INT}]計算，其中f是所需的工作頻率（赫茲），CINT是Cx引腳和印刷電路板布局上的雜散電容之和。

5. 應(yīng)用提示

5.1 電感飽和

使用現(xiàn)成的電感時，要確保觀察到峰值電流額定值；設(shè)計自己的電感時，要遵循磁芯制造商的安匝數(shù)或NI額定值。電感飽和會導致外部升壓晶體管中的電流水平非常高，從而導致過度的功率損耗、效率低下，并可能損壞電感和外部晶體管。可以通過施加最大負載、最大輸入電壓，并將時鐘頻率降低25%來測試飽和情況，使用電流探頭監(jiān)測電感電流。

5.2 旁路和補償

Lx輸出和外部電感中的高工作電流脈沖可能會導致MAX4391/MAX634工作不穩(wěn)定，因此需要在引腳6（+Vs）和引腳4（地）之間直接連接一個10μF的旁路電容，以最小化電感和高頻干擾。同時，引腳7的參考電壓輸出也應(yīng)旁路到地，以避免耦合到包含Lx輸出、電感及其接地回路的高電流路徑。在輕負載情況下，高功率電路與控制電路之間的耦合可能會導致輸出脈沖成組出現(xiàn)，增加低頻紋波并降低線路和負載調(diào)節(jié)性能，可以通過添加一個小電阻R1來恢復正常操作，同時盡量減小VFB端子上的雜散電容。

6. 典型應(yīng)用

6.1 - 5V輸出穩(wěn)壓電壓逆變器

圖2所示的標準電路可以在 - 5V時提供50mA的電流。使用低損耗的罐形磁芯或環(huán)形電感（如Dale TE3Q4TA系列）時，效率可達85%；使用具有幾歐姆串聯(lián)電阻的低成本模制電感時，效率會降低到70%。

6.2 - 12V和 - 15V輸出DC - DC逆變器

只需更改反饋網(wǎng)絡(luò)中R1的值，就可以將圖2的電路用于 - 12V或 - 15V輸出，計算公式為[R 1=frac{V_{OUT } R 2}{1.25 V}]。

6.3 雙輸出，±12V或±15V DC - DC轉(zhuǎn)換器

MAX634的降壓 - 升壓配置非常適合雙輸出DC - DC轉(zhuǎn)換器。如圖3所示，只需在電感上增加一個二次繞組即可。負輸出電壓由MAX634完全調(diào)節(jié)，正電壓為半調(diào)節(jié)，會隨正或負輸出的負載變化而略有變化。如果兩個輸出都需要完全調(diào)節(jié)，可以同時使用MAX634和MAX630，如圖4所示。

6.4 電壓逆變器

在圖5中，負輸出電壓跟蹤調(diào)節(jié)和更高的輸出電流能力。當輸入為+9V時，電路可以在 - 9V時提供約50mA的電流；當輸入為+5V時，在 - 5V時提供約30mA的電流。通過使用正輸入電壓作為參考而不是板載帶隙參考來實現(xiàn)輸入電壓跟蹤。

6.5 低功耗關(guān)機

與MAX630不同，MAX634和MAX4391沒有邏輯電平關(guān)機引腳，但可以如圖6所示輕松實現(xiàn)低功耗模式。由于最大工作電流僅為250μA，GND引腳可以直接由CMOS門或N溝道FET驅(qū)動。將GND引腳拉低以進行正常操作，讓其浮空或拉高以進入低功耗關(guān)機模式。在低功耗關(guān)機狀態(tài)下，MAX634電路僅消耗Lx輸出的漏電流。

6.6 外部功率器件提升輸出功率

MAX634和MAX4391的最大開關(guān)電流限制為525mA。如果需要更高的電流或低于MAX634的6Ω輸出電阻，可以使用圖7、圖8或圖9所示的電路。

7. 寬輸入電壓范圍操作

可用輸出功率隨輸入電壓的平方而變化。低電池檢測器可以通過降低振蕩器頻率來補償輸入電壓的降低，如圖10所示。當輸入電壓高于6V時，振蕩器頻率為40kHz；當輸入電壓低于6V時，低電池檢測器（LBD）輸出變低，將100pF電容與Cx并聯(lián)，將振蕩器頻率降低到14kHz，從而使可用輸出功率增加3倍。

8. 總結(jié)

MAX634和MAX4391是兩款性能出色的CMOS微功耗反相開關(guān)穩(wěn)壓器，具有多種特性和廣泛的應(yīng)用場景。在設(shè)計電源電路時，合理選擇外部組件、注意應(yīng)用提示，可以充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢，為電子設(shè)備提供穩(wěn)定、高效的電源。大家在實際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。