探索MAX863：高效雙輸出DC - DC控制器的設計與應用

引言

在便攜式設備和低功耗系統的設計中，電源管理模塊的性能和效率至關重要。今天我們要深入探討的是Maxim公司的MAX863，一款雙輸出、高效的脈沖頻率調制（PFM）升壓型DC - DC控制器。它以小巧的封裝、出色的性能，為各類電子設備的電源設計提供了優秀的解決方案。

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產品概覽

基本特性

MAX863將兩個獨立的升壓控制器集成在一個緊湊的16引腳QSOP封裝中，這種設計不僅節省了電路板空間，還降低了成本。其輸入電壓范圍可低至1.5V，適用于各種低功耗手持設備，如電子記事本、翻譯器等。在20mA至超過1A的輸出負載下，能實現高達90%的效率，同時最大總靜態電源電流僅為85μA，關機模式下電流低至1μA，有效延長了電池續航時間。

應用領域

該控制器廣泛應用于2 - 3節電池供電的便攜式設備、電子記事本、翻譯器、手持儀器、掌上電腦、個人數字助理（PDA）以及需要雙電源（邏輯和LCD）的系統中。

技術細節分析

PFM控制方案

MAX863采用了單觸發序列、電流限制的PFM設計。通過誤差比較器感測輸出電壓，當輸出電壓下降時，內部觸發器置位，開啟外部MOSFET，使電感電流上升并儲存能量。當電流感測電阻兩端電壓超過100mV或達到17.5μs的最大導通時間時，觸發器復位，MOSFET關閉，電感釋放能量給輸出電容和負載。這種設計結合了輕載時低供電電流和重載時高效率的優點。

連續/不連續傳導模式

每個轉換器可根據輸出電壓和負載情況決定是否切換。在輕載情況下，電感電流在下次周期前降至零，進入不連續傳導模式；當電感中有電流時開始下一次開關周期，則進入連續傳導模式。其轉換點取決于輸入輸出電壓、電感大小和峰值開關電流。

低壓啟動振蕩器

MAX863具有一個低壓啟動振蕩器，在自舉配置下可確保低至1.5V的啟動電壓。當VDD低于2.7V時，低壓振蕩器以約30%的占空比驅動外部MOSFET，直到VDD上升到2.7V以上，誤差比較器和單觸發定時電路才開始工作。

自舉/非自舉模式

• 自舉模式：IC由輸出電源供電（VDD連接到OUT1，BOOT連接到VDD），可增加MOSFET的柵極驅動電壓，降低導通電阻，提高效率和負載范圍。適用于輸入電壓低于5V的應用，但連接到VDD的輸出電壓不能超過11V。
• 非自舉模式：IC由輸入電壓直接供電到VDD，輸入電壓最低為2.7V。在低輸入電壓時，外部MOSFET的導通電阻會增加。當兩個輸出電壓都設置在11V以上時，必須使用非自舉模式。

關機模式

MAX863具有兩個關機輸入引腳SHDN1和SHDN2。將其中一個引腳拉低可關閉相應的DC - DC控制器，降低靜態電流；將兩個引腳都拉低則關閉參考、控制和偏置電路，使芯片進入1μA的關機模式。

設計步驟與元件選擇

設計步驟

1. 明確設計目標：確定每個輸出的電壓、最大負載電流以及輸入電壓的最大和最小值，并估算最大輸入電流。
2. 確定峰值開關電流：對于3.3V、5V、12V和24V輸出電路，可通過圖表選擇峰值電流；對于其他輸出電壓，可使用分析方法計算。
3. 選擇電感：電感值要保證MAX863在每個周期內能夠在17.5μs最大導通時間內達到峰值電流限制，同時電感的飽和電流和加熱電流額定值應大于峰值電流。
4. 選擇MOSFET：使用N溝道MOSFET，考慮柵極驅動電壓、漏源擊穿電壓、電流額定值、導通電阻和總柵極電荷等參數。
5. 選擇輸出二極管：推薦使用肖特基二極管，確保其峰值電流額定值超過RSENSE設置的電流限制，擊穿電壓超過輸出電壓。
6. 確定輸入和輸出濾波電容：使用低ESR電容，根據電壓紋波估算電容值，并選擇工作電壓額定值合適的電容。
7. 添加旁路電容：在VDD、REF和GND引腳附近添加0.1μF或更高值的陶瓷電容進行旁路。
8. 設置輸出電壓：DC - DC轉換器1可設置為3.3V、5V或可調輸出；DC - DC轉換器2可通過外部電阻調整輸出電壓。
9. 設置反饋補償：對外部電壓反饋進行補償，以減少雜散電容和EMI的影響。

元件選擇要點

• 電流感測電阻：應選擇小尺寸、低電感的類型，如表面貼裝金屬條電阻，避免使用繞線電阻。電阻功率額定值要高于(V^{2}{CS(MAX)}/R{SENSE})。
• 電感：建議使用環形、罐形磁芯或屏蔽骨架磁芯電感，以減少輻射噪聲。
• MOSFET：VDD低于8V時使用邏輯電平MOSFET，輸入電壓低于4V時使用低閾值邏輯電平MOSFET。
• 輸出二極管：重負載和低電壓應用中優先選擇肖特基二極管；高溫應用中，可考慮超快硅整流器。

應用電路示例

自舉5V邏輯和24V LCD偏置電源

該電路由兩節AA或AAA電池供電，可為邏輯電路提供5V（最大750mA）電源，為LCD偏置電源提供24V（最大35mA）電源。OUT1用于自舉MAX863，以改善MOSFET的柵極驅動。

升壓/降壓SEPIC轉換器和12V電源

此電路可在輸入電壓范圍大于或小于VOUT1的應用中提供升降壓功能，為邏輯電路提供3.3V（最大600mA）或5V電源，同時為閃存或模擬功能提供12V（在(V_{IN}=2.4V)時最大200mA）電源。

PCB布局與布線注意事項

由于MAX863具有較高的開關速度和較大的峰值電流，PCB布局和布線非常重要。應將功率元件盡可能靠近放置，保持其走線短、直、寬，并將多余的銅作為接地平面。避免通過內部接地層的過孔連接功率元件的接地引腳，建議采用“星形”接地配置。同時，電流感測電阻和電壓反饋網絡應靠近MAX863，避免噪聲走線干擾電壓反饋網絡。

結論

MAX863作為一款高性能的雙輸出DC - DC控制器，憑借其高效、低功耗、小封裝等特點，為電子工程師在便攜式設備和低功耗系統的電源設計中提供了一個優秀的選擇。在實際設計過程中，我們需要根據具體的應用需求，合理選擇元件和設計參數，并注意PCB布局和布線，以確保系統的穩定性和可靠性。你在使用MAX863或類似DC - DC控制器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。