深入解析MAX1843：高效低電壓降壓調節器的卓越之選

在電子設備的電源管理領域，降壓調節器是不可或缺的關鍵組件。今天，我們要深入探討的是MAXIM公司的一款明星產品——MAX1843，一款2.7A、1MHz的低電壓降壓調節器，它采用TQFN封裝，內部集成同步整流功能，為眾多應用場景提供了高效、穩定的電源解決方案。

文件下載：MAX1843.pdf

產品概述

MAX1843是一款采用恒定關斷時間、脈沖寬度調制（PWM）技術的同步降壓DC - DC轉換器，非常適合筆記本和超極本電腦中5V或3.3V到低電壓的轉換需求。它具有內部PMOS功率開關和內部同步整流功能，不僅提高了效率，還減少了外部組件的數量，無需外部肖特基二極管。內部90mΩ的功率開關和70mΩ的nMOS同步整流開關能夠輕松提供高達2.7A的連續負載電流，輸出電壓可預設為+2.5V、+1.8V或+1.5V，也可在+1.1V至輸入電壓之間進行調節，效率最高可達95%。

產品特性亮點

高精度輸出

輸出精度高達±1%，能夠為負載提供穩定、精準的電壓，滿足對電源精度要求較高的應用場景。

高頻開關

最高可達1MHz的開關頻率，允許用戶在效率、輸出開關噪聲、組件尺寸和成本之間進行優化權衡。

高效節能

內部pMOS/nMOS開關搭配低導通電阻，在不同輸入電壓下都能保持高效的能量轉換。在Vin = +4.5V時，pMOS開關導通電阻為90mΩ，nMOS開關導通電阻為70mΩ；在Vin = +3V時，pMOS開關導通電阻為110mΩ，nMOS開關導通電阻為80mΩ。

寬輸入電壓范圍

支持+3V至+5.5V的輸入電壓范圍，適應多種電源環境。

低功耗設計

工作時的電源電流僅為350μA，關機時的電源電流小于1μA，有效降低了功耗。

輕載高效模式

具備Idle Mode?，在輕載運行時能保持高效率，通過跳過周期來減少過渡和柵極電荷損耗。

保護功能完善

擁有熱關斷、可調節軟啟動、輸出短路保護等功能，確保設備在各種異常情況下的安全穩定運行。

工作模式解析

恒定關斷時間模式

當通過pMOS開關的電流大于空閑模式閾值電流（對應負載電流為空閑模式閾值的一半）時，進入恒定關斷時間模式。在此模式下，調節比較器在每個關斷時間結束時打開pMOS開關，使設備保持連續導通模式。pMOS開關一直保持導通，直到輸出達到調節狀態或達到電流限制。當pMOS開關關閉時，它將保持關閉狀態，直到達到編程的關斷時間（tOFF）。在短路情況下，為了控制電流，當VOUT < VOUT(NOM) / 4時，pMOS開關將保持關閉約4 x tOFF。

空閑模式

在輕載情況下，設備會切換到脈沖跳過的空閑模式以提高效率。當通過pMOS開關的電流小于空閑模式閾值電流時，進入空閑模式。在空閑模式下，pMOS開關會保持導通，直到通過開關的電流達到空閑模式閾值，從而減少了輕載時不必要的開關操作，降低了效率損失。同時，電流檢測電路會監測nMOS同步開關的電流，在電流反向之前將其關閉，防止電流通過電感和nMOS開關從輸出濾波器流向地。

100%占空比模式

當輸入電壓接近輸出電壓時，占空比會增加，直到pMOS MOSFET持續導通。100%占空比時的壓降是輸出電流乘以內部pMOS開關的導通電阻和電感中的寄生電阻。只要不達到電流限制，pMOS開關將持續導通。

關機模式

將SHDN引腳驅動為邏輯低電平，可使MAX1843進入低功耗關機模式，將電源電流降低到小于1μA。在關機狀態下，所有電路和內部MOSFET都將關閉，LX節點變為高阻抗。將SHDN引腳驅動為邏輯高電平或連接到VCC，設備將恢復正常運行。

設計要點與參數選擇

輸出電壓設置

MAX1843的輸出電壓有三種預設值（+2.5V、+1.8V和+1.5V）可供選擇，也可以進行調節。對于預設輸出電壓，將FB連接到輸出電壓，并根據表2連接FBSEL；對于可調輸出電壓，將FBSEL連接到GND，并將FB連接到輸出電壓和地之間的電阻分壓器。

開關頻率和關斷時間編程

通過連接在TOFF和GND之間的電阻RTOFF來設置pMOS功率開關在PWM模式下的關斷時間。可以根據以下公式選擇關斷時間： [t{OFF }=frac{left(V{IN }-V{OUT }-V{PMOS }right)}{f{PWM }left(V{IN }-V{PMOS }+V{NMOS }right)}] 然后根據公式[RTOFF =(tOFF - 0.07 mu s)(110 k Omega / 1.00 mu s)]選擇RTOFF的值。推薦的RTOFF值范圍為36kΩ至430kΩ，對應關斷時間為0.4μs至4μs。

電感選擇

電感的選擇需要考慮多個因素，關鍵參數包括電感值（L）和峰值電流（IPEAK）。電感值的計算公式為： [L=frac{V{OUT } × t{OFF }}{I{OUT } × LIR }] 其中LIR是峰 - 峰電感交流電流（紋波電流）與最大直流負載電流的比值，通常取0.25。使用上述公式時，滿載時的峰值電感電流為1.125 x IOUT；否則，峰值電流計算公式為： [PEAK =I{OUT }+frac{V{OUT } × t{OFF }}{2 × L}] 選擇電感時，其飽和電流應至少等于峰值電感電流，并且在所選工作頻率下應具有低損耗。

電容選擇

輸入濾波電容用于降低電壓源處的峰值電流和噪聲，應選擇低ESR和低ESL的電容，并將其放置在距離IN引腳不超過5mm的位置。輸入電容的選擇應根據RMS輸入紋波電流要求和電壓額定值進行： [RIPPLE =I LOAD frac{sqrt{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}}{V{IN }}] 輸出濾波電容會影響輸出電壓紋波、輸出負載瞬態響應和反饋環路穩定性。為了穩定運行，MAX1843要求最小輸出紋波電壓VRIPPLE ≥1% × VOUT，輸出電容的最小ESR應滿足： [ESR >1 % × frac{L}{t{OFF }}] 同時，穩定運行需要選擇合適的輸出濾波電容，應滿足： [C{OUT } geq frac{t{OFF }}{V{OUT }} 79 mu FV / mu s]

積分放大器

內部跨導放大器用于微調輸出直流精度，通過在COMP和VCC之間連接電容CCOMP來補償跨導放大器。為了保證穩定性，建議選擇CCOMP = 470pF。較大的電容值可以保持恒定的平均輸出電壓，但會減慢環路對輸出電壓變化的響應速度；較小的電容值可以加快環路響應速度，但會降低穩定性，需要根據實際情況選擇最佳的電容值。

軟啟動

軟啟動功能允許內部電流限制逐漸增加，以減少啟動和退出關機時的輸入浪涌電流。通過在SS和GND之間放置一個定時電容CSS來設置內部電流限制的變化速率。上電時，當設備從欠壓鎖定（典型值2.6V）恢復或SHDN引腳被拉高后，一個4μA的恒流源會對軟啟動電容充電，SS引腳的電壓會逐漸升高。當SS引腳的電壓小于約0.7V時，電流限制設置為零；當電壓從0.7V升高到約1.8V時，電流限制從0調整到電流限制閾值。軟啟動電容上的電壓隨時間的變化公式為： [V{S S}=frac{4 mu A × t}{C{S S}}] 軟啟動電流限制隨SS引腳電壓的變化公式為： [SSI{LIMIT }=frac{V{S S}-0.7 V}{1.1 V} × LIMIT] 當軟啟動電容上的電壓達到1.8V時，恒流源停止充電。

電路布局與接地

良好的電路布局對于實現MAX1843的預期輸出功率、高效率和低噪聲至關重要。以下是一些關鍵的布局要點：

1. 最小化開關電流和大電流接地環路：將輸入電容的接地端、輸出電容的接地端和PGND連接在一起，然后將這個接地島僅在一點連接到GND。
2. 輸入濾波電容的放置：將輸入濾波電容放置在距離IN引腳小于5mm的位置，連接銅跡線應至少1mm寬，最好為2.5mm，以承載大電流。
3. LX節點組件的布局：將LX節點的組件盡可能靠近在一起，并靠近設備放置，以減少電阻和開關損耗以及噪聲。
4. 接地平面的使用：接地平面對于最佳性能至關重要。在大多數應用中，電路位于多層板上，建議充分利用四層或更多層。為了散熱，將暴露的背面焊盤連接到大面積的模擬接地平面，最好是在電路板上能夠獲得良好氣流的表面。如果接地平面位于IC表面，可以利用GND相鄰的N.C.引腳來降低到接地平面的熱阻；如果接地平面位于其他位置，可以使用多個過孔來降低熱阻。典型應用中會使用多個接地平面來最小化熱阻，同時要避免大的交流電流通過模擬接地平面。

總結

MAX1843以其高效、穩定、靈活的特點，為電子工程師在電源設計中提供了一個優秀的解決方案。無論是在筆記本電腦、超極本電腦還是其他需要高效電源轉換的應用中，MAX1843都能發揮出其卓越的性能。通過合理選擇參數和優化電路布局，我們可以充分發揮MAX1843的優勢，為電子設備提供可靠的電源支持。你在使用類似的降壓調節器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。