深入剖析MAX1970/MAX1971/MAX1972：高性能雙路降壓調節器的設計與應用

在電子設計領域，電源管理芯片的性能直接影響著整個系統的穩定性和效率。今天，我們就來深入探討一下MAXIM公司的MAX1970/MAX1971/MAX1972系列雙路降壓調節器，看看它在實際應用中能為我們帶來哪些優勢。

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一、產品概述

MAX1970/MAX1971/MAX1972是一款雙路輸出、固定頻率、電流模式的PWM降壓DC - DC轉換器。其中，MAX1970和MAX1972的開關頻率為1.4MHz，而MAX1971則為700kHz。兩路轉換器采用180°異相開關方式，有效降低了輸入紋波電流，同時高頻開關特性允許使用更小的電容進行濾波和解耦。內部同步整流器提高了效率，并且省去了典型的肖特基續流二極管。通過內部MOSFET的導通電阻來感測開關電流，不僅控制和保護了MOSFET，還省去了電流感測電阻，進一步提高了效率并降低了成本。

1. 輸入輸出特性

輸入電壓范圍為2.6V至5.5V，每路輸出能夠提供至少750mA的電流。輸出電壓可以通過外部反饋電阻在1.2V至VIN之間進行編程，也可以預設為OUT1的1.8V或3.3V，以及OUT2的1.5V或2.5V。當一個輸出高于1.2V時，另一個輸出可以配置到低于1V的水平，并且輸出精度在負載、線路和溫度變化范圍內優于±1%。

2. 關鍵特性

• 電流模式、1.4MHz固定頻率PWM操作：確保穩定的輸出和高效的轉換。
• 180°異相操作：降低輸入電容的需求。
• ±1%的輸出精度：在不同負載、線路和溫度條件下都能保持穩定。
• 750mA的保證輸出電流：滿足大多數應用的功率需求。
• 上電復位（POR）功能：提供系統復位信號，確保系統穩定啟動。
• 電源故障輸出（PFO，僅MAX1970和MAX1972）：可用于檢測USB電源故障。
• 復位輸入（RSI，僅MAX1971）：允許軟件命令系統復位。
• 工作在xDSL頻段之外：避免干擾。
• 超緊湊設計：使用最小的外部組件。
• 輸出可在0.8V至VIN之間調節：或者預設為特定電壓。
• 全陶瓷電容應用：提高穩定性和可靠性。
• 軟啟動功能：減少啟動時的浪涌電流。

二、工作原理

1. DC - DC控制器

該系列芯片采用脈沖寬度調制（PWM）電流模式控制方案。其核心是一個開環比較器，將集成的電壓反饋信號與放大的電流感測信號和斜率補償斜坡之和進行比較。在內部時鐘的每個上升沿，內部高端MOSFET導通，直到PWM比較器觸發。在此期間，電流通過電感上升，為輸出提供電流并在磁場中存儲能量。電流模式反饋系統根據輸出電壓誤差信號調節電感峰值電流，由于平均電感電流與峰值電感電流幾乎相同（假設電感值相對較高以最小化紋波電流），電路就像一個開關模式跨導放大器，將通常在電壓模式PWM中出現的輸出LC濾波器極點推到更高頻率。為了保持內環穩定性并消除電感階梯效應，將斜率補償斜坡加入到主PWM比較器中。在周期的后半段，內部高端MOSFET關閉，內部低端n溝道MOSFET導通，電感釋放存儲的能量，同時仍為輸出提供電流。

2. 電流感測

電流感測電路放大由高端MOSFET的導通電阻和電感電流（RDS(ON) × IINDUCTOR）產生的電流感測電壓。這個放大的電流感測信號和內部斜率補償信號被一起加到PWM比較器的反相輸入端。當這個和超過集成的反饋電壓時，PWM比較器關閉內部高端MOSFET。

3. 電流限制

內部MOSFET的電流限制為1.2A（典型值）。如果從LX_流出的電流超過這個最大值，高端MOSFET關閉，同步整流器MOSFET導通，降低占空比并導致輸出電壓下降，直到電流限制不再被超過。此外，還有一個同步整流器電流限制為 - 0.85A，用于保護器件免受電流流入LX_的影響。

三、設計要點

1. 輸出電壓選擇

輸出電壓可以通過三種方式進行選擇：

• 預設電壓：通過將FBSEL_連接到VCC或GND，可以將OUT1設置為3.3V或1.8V，將OUT2設置為2.5V或1.5V。
• 外部電阻分壓器：當FBSEL_懸空時，可以使用外部電阻分壓器將每個輸出設置為1.2V至VIN之間的任意電壓。計算公式為 (R_a = Rb times [frac{V{OUT}}{1.2} - 1]) ，其中 (R_a) 是從FB_到OUT_的電阻， (R_b) 是從FB_到GND的電阻。
• 低于1.2V的輸出設置：如果要將一個輸出設置為低于1.2V，另一個輸出必須高于1.2V。通過連接電阻R1從FB1到OUT1，連接電阻R2從FB1到OUT2，并滿足 (R1 = R2 frac{V{OUT1} - 1.2}{1.2 - V{OUT2}}) ，同時確保電流約為100μA。

2. 電感值選擇

對于大多數應用，建議使用3.3μH至6.8μH的電感，飽和電流至少為800mA。為了獲得最佳效率，電感的直流電阻應小于100mΩ，飽和電流應大于1A。合理的電感值可以通過公式 (L{INIT} = frac{V{OUT}(V{IN} - V{OUT})}{V{IN} × LIR × I{OUT(MAX)} × t_{osc}}) 計算，其中LIR為電感電流紋波百分比，建議保持在最大負載電流的20%至40%之間。

3. 電容選擇

• 輸入電容：輸入濾波電容用于減少從電源汲取的峰值電流，降低電路開關引起的輸入噪聲和電壓紋波。建議使用陶瓷電容，因為它具有低等效串聯電阻（ESR）、等效串聯電感（ESL）和較低的成本。電容應滿足由開關電流定義的紋波電流要求（IRMS），計算公式為 (RMS = frac{1}{V{IN}} sqrt{2 × V{OUT1}(V{IN} - V{OUT2})}) 。
• 輸出電容：輸出電容的關鍵選擇參數包括電容值、ESR、ESL和電壓額定要求，這些參數會影響DC - DC轉換器的整體穩定性、輸出紋波電壓和瞬態響應。輸出紋波由輸出電容存儲的電荷變化、電容ESR引起的電壓降和電容ESL引起的電壓降組成，計算公式分別為 (V{RIPPLE(C)} = frac{IP - P}{8 × C{OUT} × f{SW}}) 、 (V{RIPPLE(ESR)} = l{P - P} × ESR) 和 (V{RIPPLE(ESL)} = (IP - P/TON) × ESL) （或 ((IP - P/TOFF) × ESL) ，取較大值），其中IP - P為電感電流峰 - 峰值。

4. 補償設計

內部跨導誤差放大器用于補償控制回路。在COMP和GND之間連接一個串聯電阻和電容，形成一個零極點對。外部電感、內部高端MOSFET、輸出電容、補償電阻和補償電容決定了環路穩定性。為了獲得最佳穩定性和響應性能，閉環單位增益頻率應遠高于調制器極點頻率，并且大約為50kHz。通過公式可以計算補償電阻 (R{C} = frac{V{O}}{gm{EA} × V{FB} × G{MOD(fc)}}) 和補償電容 (C{C} = V{OUT} × frac{C{OUT}}{R{C} × I{OUT(MAX)}}) 。

四、應用注意事項

1. PCB布局

PCB布局對于實現干凈穩定的操作至關重要。特別是開關功率級，需要特別注意以下幾點：

• 盡可能將去耦電容靠近IC引腳放置。
• 保持功率接地平面（連接到PGND）和信號接地平面（連接到GND）分開，并通過PGND到GND的單個連接將兩個接地平面連接在一起。
• 輸入和輸出電容連接到功率接地平面，其他電容連接到信號接地平面。
• 保持高電流路徑盡可能短而寬。
• 如果可能，將IN、LX1、LX2和PGND分別連接到一個大的焊盤區域，以幫助冷卻IC，提高效率和長期可靠性。
• 確保所有反饋連接短而直接，將反饋電阻盡可能靠近IC放置。
• 避免將高速開關節點靠近敏感的模擬區域（FB1、FB2、COMP1、COMP2）。

2. 其他特性

• 軟啟動：為了減少電源浪涌電流，軟啟動電路在啟動期間使輸出電壓斜坡上升。通過一個25μA的電流源對REF電容充電，當REF達到1.2V時，輸出進入完全調節狀態。軟啟動時間由 (t{SS} = frac{V{REF}}{I{REF}} C{REF} = 4.8 × 10^{4} × C_{REF}) 確定，CREF的電容值范圍為0.01μF至1.0μF。
• 欠壓鎖定（UVLO）：如果VCC下降到2.35V以下，芯片會認為電源電壓過低，無法提供有效的輸出電壓，UVLO電路會禁止開關操作。當VCC上升到2.4V以上時，UVLO被禁用，軟啟動序列開始。
• 使能功能：提供邏輯使能輸入（EN），正常操作時將EN驅動為高電平，驅動為低電平時關閉兩個輸出，并將輸入電源電流降低到約1μA。
• 電源故障輸出（PFO）：當VCC下降到3.94V以下時，PFO輸出變為高電平，可用于檢測有效的USB輸入電壓。建議使用10kΩ至100kΩ的上拉電阻將PFO連接到VCC或任一輸出。
• 上電復位（POR）：POR提供系統復位信號。上電時，POR保持低電平，直到兩個輸出達到其調節電壓的92%，然后保持低電平一段時間（MAX1970為16.6ms，MAX1971和MAX1972為175ms），之后變為高電平。
• 復位輸入（RSI，僅MAX1971）：當RSI驅動為高電平時，強制POR變為低電平。當RSI變為低電平時，POR會經歷一個與上電事件相同的延遲時間。
• 熱過載保護：當IC的結溫超過 + 170°C時，熱傳感器會關閉器件，使其冷卻。當結溫下降20°C后，熱傳感器會再次開啟器件，在連續過載條件下會導致脈沖輸出。

五、總結

MAX1970/MAX1971/MAX1972系列雙路降壓調節器憑借其高性能、高集成度和豐富的特性，在xDSL調制解調器、xDSL路由器、銅千兆SFP和GBIC模塊、USB供電設備以及雙LDO替換等應用中具有很大的優勢。在設計過程中，我們需要根據具體的應用需求，合理選擇輸出電壓、電感值、電容值，并進行適當的補償設計和PCB布局，以確保系統的穩定性和可靠性。大家在實際應用中是否遇到過類似芯片的設計挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。