深入剖析MAX1801：數字相機升壓從控DC - DC控制器的卓越之選

在電子設備的電源設計領域，尤其是數字相機、便攜式DVD播放器等設備中，電源的穩定性和高效性至關重要。MAX1801作為一款數字相機升壓從控DC - DC控制器，為電源設計帶來了諸多優勢。下面我們就來深入了解這款控制器。

文件下載：MAX1801.pdf

一、產品概述

MAX1801需與MAX1800（升壓）或MAX1802（降壓）主DC - DC轉換器配合使用，為數字相機等設備提供完整的電源解決方案。通過使用主轉換器的參考電壓和振蕩器，不僅降低了從控制器的尺寸和成本，還確保了所有轉換器以相同頻率進行開關操作。它能驅動外部N溝道MOSFET，適用于升壓、單端初級電感轉換器（SEPIC）和反激式拓撲結構。此外，它還具備內置軟啟動、短路保護和可調占空比限制等特性，采用節省空間的8引腳SOT23封裝，并且有配套的評估套件助力設計。

二、應用領域

MAX1801的應用范圍廣泛，涵蓋了數字靜態相機、數字視頻相機、便攜式DVD播放器、互聯網接入平板電腦、個人數字助理（PDA）以及各種手持設備等。這些設備對電源的穩定性和效率都有較高要求，MAX1801正好滿足了這些需求。

三、產品特性

1. 可擴展性強：為MAX1800和MAX1802主轉換器提供簡單的擴展能力，能在現有主電路中輕松添加從控制器，減少重新設計的成本和時間。
2. 多種拓撲結構支持：可在升壓、SEPIC和反激式拓撲結構中工作，滿足不同的設計需求。
3. 可調工作頻率：工作頻率可在100kHz至1MHz之間調節，方便根據具體應用優化外部組件尺寸或效率。
4. 占空比可調：占空比限制可在40%至90%之間調節，并且具備軟啟動功能，能有效限制浪涌電流。
5. 保護功能完善：具有短路保護功能，能防止輸出短路對電路造成損壞。
6. 低功耗：在關機模式下，電源電流僅為0.01μA，有效降低功耗。
7. 小封裝：采用8引腳SOT23封裝，節省電路板空間。

四、電氣特性

1. 絕對最大額定值

• 各引腳對GND的電壓范圍有所限制，如IN、DCON、REF、OSC、FB對GND為 - 0.3V至 + 6.0V等。
• 連續功率耗散在TA = + 70°C時，8引腳SOT23封裝為480mW（70°C以上每升高1°C降額6mW）。
• 工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，結溫為 + 150°C，存儲溫度范圍為 - 65°C至 + 150°C，焊接時引腳溫度（10s）為 + 300°C。

2. 電氣參數

• 電源電壓：VIN的工作范圍為2.7V至5.5V，VIN欠壓鎖定閾值在VIN上升時為2.15V至2.55V。
• 參考輸入：REF輸入范圍為1.19V至1.31V，REF欠壓鎖定閾值在VREF上升時為0.85V至1.15V。
• 電源電流：關機模式下電源電流最大為1μA，睡眠模式下最大為10μA，靜態電源電流最大為300μA。
• 振蕩器：OSC輸入泄漏電流最大為1μA，振蕩器頻率范圍為100kHz至1000kHz，OSC時鐘低觸發電平為0.20V至0.30V，高觸發電平為1.00V至1.10V。
• 占空比：最大占空比調節范圍在fOSC = 100kHz時為40%至90%。
• 輸入輸出：DCON輸入泄漏電流最大為100nA，DCON輸入睡眠模式閾值為0.35V至0.45V，REF輸入電流在不同條件下有不同值。
• 誤差放大器：FB調節電壓為1.238V至1.263V，FB到COMP的跨導為70μS至160μS，FB輸入泄漏電流最大為100nA。
• 驅動器：DL驅動器電阻最大為5Ω，DL驅動電流典型值為0.5A。
• 軟啟動和短路保護：軟啟動間隔和故障間隔均為1024個OSC周期。

五、典型工作特性

1. 效率與負載電流關系

通過不同的電池電壓（如1.5V、2.4V、3.6V）和輸出電壓（如7V、12V、18V）的曲線，可以直觀地看到效率隨負載電流的變化情況。一般來說，在合適的負載電流范圍內，效率能保持在較高水平。

2. 占空比與頻率和電壓關系

默認最大占空比與頻率、最大占空比與VDCON之間存在一定的關系曲線。通過這些曲線，我們可以根據實際需求選擇合適的頻率和VDCON電壓來設置占空比。

3. 睡眠模式電流與輸入電壓、關機電流與參考電壓關系

睡眠模式電流隨輸入電壓的變化以及關機電流隨參考電壓的變化曲線，有助于我們了解在不同電壓條件下的功耗情況，從而優化電源設計。

4. 參考輸入電流與溫度關系

參考輸入電流會隨溫度的變化而變化，了解這一特性可以幫助我們在不同的工作溫度環境下更好地設計電路。

5. FB到COMP小信號開環頻率響應

該響應曲線展示了電路在不同頻率下的特性，對于分析電路的穩定性和性能非常重要。

6. 啟動響應和負載瞬態響應

啟動響應曲線可以看到輸出電壓、輸入電流等在啟動過程中的變化情況，負載瞬態響應曲線則展示了在負載變化時輸出電壓的響應情況，這些特性對于確保電路在實際應用中的穩定性至關重要。

六、引腳描述

七、詳細設計要點

1. 主從配置

MAX1801從MAX1800或MAX1802主DC - DC轉換器獲取輸入電源、電壓參考和振蕩器信號。這種主從配置通過消除冗余電路降低了系統成本，并且通過同步轉換器開關控制了噪聲的諧波含量。

2. 升壓DC - DC控制器

MAX1801以低噪聲固定頻率PWM模式工作，輸出功率受外部組件限制。它通過調制外部N溝道MOSFET開關的驅動信號脈沖寬度來調節輸出電壓，開關頻率由主轉換器設置，范圍為100kHz至1MHz。

3. 參考電壓

MAX1801需要1.25V的參考電壓，從MAX1800或MAX1802獲取。在關機模式下，REF通常吸收0.5μA電流，在活動模式下為3μA，啟動時最多為30μA。如果多個MAX1801控制器同時開啟，要確保主電壓參考能提供足夠的電流，或者用合適的單位增益放大器緩沖參考電壓。

4. 振蕩器

MAX1801需要0至1.25V的鋸齒波振蕩器信號，從MAX1800或MAX1802獲取。該信號設置轉換器的開關頻率，用于控制脈寬調制和最大占空比。

5. 最大占空比

MAX1801利用OSC處的主生成振蕩器信號、DCON處的電壓和內部比較器來限制其最大開關占空比。限制占空比可以防止某些磁性組件飽和，較低的最大占空比還可以使轉換器工作在不連續電流模式，以犧牲一點效率為代價簡化設計穩定性。

6. 軟啟動

MAX1801具有軟啟動功能，通過在1024個振蕩器周期內將輸出電壓斜坡上升到調節電壓，限制浪涌電流并防止啟動時電池過度負載。

7. 關機

將VDCON設置為小于0.35V可使MAX1801進入睡眠模式，電源電流降至5μA；將VREF設置為低于0.4V可使MAX1801進入關機模式，電源電流降至10nA。當VDCON和VREF都處于正常水平時，MAX1801進入軟啟動。

8. 短路保護

MAX1801具有故障保護功能，可防止輸出短路對變壓器耦合或SEPIC電路造成損壞。如果輸出電壓超出調節范圍，COMP處的電壓將被鉗位在2.7V。如果此條件在軟啟動后的任何時間持續1024個振蕩器時鐘周期，MAX1801將被禁用，以防止過大的輸出電流。可通過將DCON或IN處的電壓循環至GND再恢復到正常狀態來重啟控制器。在升壓應用中，由于通過電感器和輸出整流器到短路的直流電流路徑，短路電流不受限制。如果在升壓配置中需要短路保護，必須使用保險絲等保護裝置來限制短路電流。

八、設計流程

1. 開關頻率

MAX1801的開關頻率由MAX1800或MAX1802主轉換器設置。通常，400kHz至500kHz的開關頻率在組件尺寸和效率之間提供了良好的平衡，較高的頻率一般允許使用更小的組件，而較低的頻率則能提供更好的轉換效率。

2. 設置輸出電壓

通過從輸出連接電阻分壓器到FB來設置MAX1801的輸出電壓。由于FB輸入偏置電流小于100nA，選擇R2為100kΩ以最小化FB處輸入偏置電流的影響，根據公式(R1 = R2(frac{V{OUT}}{V{FB}} - 1))選擇R1，其中VFB為1.25V。

3. 設置最大占空比

OSC處的主振蕩器信號和DCON處的電壓用于生成內部時鐘信號。最大占空比可通過公式(D{MAX}=frac{R4}{R3 + R4}(1 - f{OSC}t_{FALL}))近似計算，其中fOSC和tFALL分別為振蕩器頻率（Hz）和下降時間（通常為100ns）。在100kHz時，可調最大占空比范圍通常為28%至92%。如果VDCON等于或高于VREF（1.25V），最大占空比通常默認設置為78%；如果VDCON小于0.4V，控制器將關閉。

4. 電感器選擇

• 連續電感器電流：對于大多數MAX1801升壓設計，合理的電感器值（LIDEAL）可通過公式(L{IDEAL}=frac{3(V{IN}-V{SW})D(1 - D)}{I{OUT}t{OSC}})計算，其中D為占空比，(D approx 1 - frac{V{IN}}{V{OUT}+V{D}})，VSW為N溝道MOSFET開關的電壓降，VD為整流器的正向電壓降。電感值小于LIDEAL時，最大電感器電流會增加，需要更大的輸出電容來保持輸出紋波。當IOUT從確定LIDEAL的值減小超過六倍時，電感器電流將變為不連續。
• 不連續電感器電流：在不連續模式下，MAX1801控制器通過調整占空比來調節輸出電壓，以確保在最壞負載條件（最大IOUT）下的調節。選擇(L leq frac{V{OUT}D{MAX}}{2}I{OUT}f{OSC})，電感器的飽和電流額定值應滿足或超過計算出的峰值電感器電流。

5. 輸入和輸出濾波電容器

• 輸入電容器（CIN）：在升壓設計中，輸入電容器可減少從電池或輸入電源吸取的電流峰值，并減少控制器中的開關噪聲。輸入電容器在開關頻率下的阻抗應小于輸入源的阻抗，以防止高頻開關電流通過輸入源。
• 輸出電容器：輸出電容器用于保持輸出電壓紋波小，并確保調節控制環路的穩定性。輸出電容器在開關頻率下必須具有低阻抗，鉭電容器和陶瓷電容器是不錯的選擇。鉭電容器通常具有高電容和中低等效串聯電阻（ESR），輸出紋波近似為(V{RIPPLE} approx I{L(PEAK)}ESR)；陶瓷電容器通常具有較低的ESR，但電容相對較小，輸出紋波近似為(V{RIPPLE} approx I{L(PEAK)}Z{C})，其中(Z{C} approx frac{1}{2pi f{OSC}C{OUT}})。

6. 旁路電容器

如果MAX1801遠離MAX1800或MAX1802主IC，開關電路的噪聲可能會影響MAX1801，此時需要用0.1μF或更大的陶瓷電容器旁路REF和IN。如果噪聲不是問題或MAX1801靠近主IC，則不需要額外的旁路。

7. MOSFET選擇

MAX1801控制器驅動外部邏輯電平N溝道MOSFET作為電路開關元件，關鍵選擇參數包括導通電阻（RDS(ON)）、最大漏源電壓（VDS(MAX)）、最小閾值電壓（VTH(MIN)）、總柵極電荷（Qg）和反向傳輸電容（CRSS）。由于外部柵極驅動（DL）在IN和GND之間擺動，應選擇導通電阻在VIN或以下指定的MOSFET。MOSFET的功耗包括導通電阻損耗和過渡損耗，總功耗為兩者之和。

8. 二極管選擇

對于低輸出電壓應用，使用肖特基二極管整流輸出電壓，因為其具有低正向電壓和快速恢復時間。但肖特基二極管在高反向電壓和高溫下會出現明顯的泄漏電流，因此對于高電壓、高溫應用，應使用超快結整流器。

9. 補償設計

MAX1801轉換器使用電壓模式調節輸出電壓，補償設計根據電感器電流是連續還是不連續而有所不同。

• 不連續電感器電流：PWM轉換器有一個單極點，極點頻率和直流增益取決于工作占空比。通過選擇合適的補償電阻和電容，可實現穩定的電路。
• 連續電感器電流：控制環路的響應包括一個右半平面零點和一個復極點對，為了穩定運行，控制器環路增益必須在遠低于右半平面零點頻率的頻率下降至單位（0dB）。通常使用輸出電容器ESR產生的零點來補償控制電路，增加交叉頻率附近的相位，提高相位裕度。

九、應用信息

1. 與MAX1800升壓主DC - DC轉換器配合使用

MAX1801使用MAX1800的參考電壓和振蕩器信號。MAX1800可從1.5V至5.5V輸入電壓工作，適用于2或3節堿性、NiCd或NiMH電池，或1節鋰原電池或鋰離子（Li +）電池的應用。

2. 與MAX1802降壓主DC - DC轉換器配合使用

MAX1801使用MAX1802的參考電壓和振蕩器信號。MAX1802可從2.7V至11V輸入電壓工作，適用于4節串聯堿性、NiCd或NiMH電池，或2節串聯鋰原電池或（Li +）電池的應用。

3. SEPIC配置

當電池電壓高于或低于所需輸出電壓時，可使用SEPIC轉換器。電感L1和L2可以是單獨的電感器，也可以繞在同一磁芯上并像變壓器一樣耦合。使用耦合電感器通常可以提高效率，C2應選擇低ESR類型的電容器，其紋波電流額定值必須大于輸入和輸出電流中的較大值。MOSFET的漏