MAX17531：高效同步降壓DC - DC轉換器的設計與應用

在電子設計領域，DC - DC轉換器是電源管理中不可或缺的一部分。今天，我們要深入探討的是Maxim Integrated推出的MAX17531，一款4V至42V輸入、50mA輸出的超小型、高效同步降壓DC - DC轉換器。

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一、產品概述

MAX17531集成了MOSFET，可在4V至42V的寬輸入電壓范圍內工作，能提供高達50mA的輸出電流，輸出電壓范圍為0.8V至0.9×VIN，并且在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內，反饋電壓精度可達±1.75%。它采用峰值電流模式控制，支持脈沖寬度調制（PWM）和脈沖頻率調制（PFM）兩種工作模式。該器件提供10引腳（3mm x 2mm）TDFN和10引腳（3mm x 3mm）μMAX?封裝，還提供仿真模型。

二、產品優勢與特性

2.1 減少外部元件和總成本

• 同步整流：無需肖特基二極管，采用同步整流方式，降低了成本和功耗。
• 內部補償：對于任何輸出電壓都有內部補償，簡化了設計過程。
• 內置軟啟動：避免了啟動時的電流沖擊，保護電路元件。
• 全陶瓷電容：支持全陶瓷電容，可實現緊湊的布局。

2.2 減少DC - DC調節器庫存

• 寬輸入范圍：4V至42V的寬輸入范圍，適用于多種電源場景。
• 可調輸出：輸出電壓可在0.8V至0.9×VIN之間調節，滿足不同應用需求。
• 可調開關頻率：開關頻率可在100kHz至2.2MHz之間調節，并支持外部同步。

2.3 降低功耗

• 低靜態電流：無負載時靜態電流僅22μA，輕載效率高。
• 高效模式：PFM模式進一步提高輕載效率，關機電流低至1.2μA。

2.4 惡劣環境下可靠運行

• 過流保護：具備峰值電流限制保護，防止電路因過流損壞。
• 輸出電壓監控：內置輸出電壓監控RESET功能，可及時反饋輸出電壓狀態。
• 可編程閾值：EN/UVLO閾值可編程，靈活控制設備的啟動和關閉。
• 預偏置啟動：支持單調啟動進入預偏置負載，適用于復雜電源系統。
• 過溫保護：當結溫超過 + 160°C時，自動關閉設備，防止過熱損壞。
• 寬溫度范圍：工業級 - 40°C至 + 125°C的環境工作溫度范圍和 - 40°C至 + 150°C的結溫范圍，適應各種惡劣環境。

三、電氣特性

3.1 輸入電源

輸入電壓范圍為4V至42V，輸入關機電流在VEN/UVLO = 0V、TA = + 25°C時為0.67 - 2.25μA。PFM模式下輸入電源電流IQ - PFM為18 - 32μA，PWM正常開關模式下，VIN = 24V時輸入電源電流IQ - PWM為180 - 650μA。

3.2 外部偏置

VOUT開關閾值為2.96 - 3.12V。

3.3 使能/欠壓鎖定

EN/UVLO上升閾值為1.2 - 1.3V，下降閾值為1.1 - 1.2V，真正關機閾值為0.7V，泄漏電流在VEN/UVLO = 1.3V、TA = + 25°C時為 - 100至 + 100nA。

3.4 功率MOSFET

高端pMOS導通電阻RDS - ONH在ILX = 0.1A（源極）時為2.7 - 9.5Ω，低端nMOS導通電阻RDS - ONL在ILX = 0.1A（漏極）時為1.25 - 5Ω，LX泄漏電流在VEN = 0V、TA = + 25°C、VLX = (VGND + 1V)至(VIN - 1V)時為 - 1至 + 1μA。

3.5 軟啟動

軟啟動時間在SS未連接時為4.4 - 5.8ms，SS充電電流在VSS = 0.4V時為4.7 - 5.3μA。

3.6 反饋

MODE = GND時，FB調節電壓為0.786 - 0.814V；MODE未連接時，為0.786 - 0.826V。FB輸入泄漏電流在VFB = 1V、TA = 25°C時為 - 100至 + 100nA。

3.7 電流限制

峰值電流限制閾值為97 - 123mA，負電流限制閾值在VMODE = GND時為33 - 66mA，VMODE未連接時為0.01mA，PFM電流水平在VMODE未連接時為28 - 47mA。

3.8 振蕩器

開關頻率可通過連接在RT/SYNC引腳的電阻進行編程，范圍為100kHz至2.2MHz。不同電阻值對應不同的開關頻率，如RRT = 422kΩ時為90 - 111kHz，RRT = 191kΩ時為205 - 235kHz等。

3.9 同步

SYNC輸入頻率為1.1×fSW，最大2200kHz，SYNC脈沖最小關斷時間為40ns，SYNC上升閾值為1 - 1.44V，滯后為0.115 - 0.265V，使能同步所需的SYNC脈沖數為1個周期。

3.10 時序

最小導通時間tON - MIN在fSW ≤ 600kHz、VFB = 0.98×VFB - REG時為46 - 128ns，最大占空比DMAX在fSW ≤ 600kHz時為90 - 94%，fSW > 600kHz時為87 - 92%，打嗝超時時間為51ms。

3.11 復位

RESET上升的FB閾值為93 - 97%，下降的FB閾值為90 - 94%，FB達到95%調節后RESET延遲2.1ms，RESET輸出低電平在IRESET = 1mA時為0.23V，RESET輸出泄漏電流在VFB = 1.01×VFB - REG、TA = + 25°C時為1μA。

3.12 模式

MODE PFM閾值為1 - 1.44V，滯后為0.19V，MODE內部上拉電阻在VMODE未連接時為123kΩ，VMODE = GND時為1390kΩ。

3.13 熱關斷

熱關斷閾值溫度上升時為160°C，滯后為20°C。

四、典型應用電路

文檔中給出了多個典型應用電路，包括高效5V、50mA調節器，高效3.3V、50mA調節器，小尺寸5V、50mA調節器，小尺寸3.3V、50mA調節器，小尺寸1.8V、50mA調節器和小尺寸12V、50mA降壓調節器等。這些電路根據不同的輸出電壓和應用場景，選擇了不同的電感、電容和電阻值。例如，在高效5V、50mA調節器電路中，采用330μH的電感（COILCRAFT LPS5030 - 334M），輸入電容CIN為1μF（MURATA 1μF/X7R/50V/0805），輸出電容COUT為10μF（MURATA 10μF/X7R/6.3V/0805），開關頻率為300kHz。

五、詳細工作原理

5.1 模式選擇（MODE）

MAX17531通過MODE引腳選擇工作模式。MODE引腳未連接時，輕載下工作在PFM模式；MODE引腳接地時，所有負載下工作在固定頻率的PWM模式。PWM模式適用于對頻率敏感的應用，能提供固定的開關頻率，但輕載效率低于PFM模式。PFM模式可禁用負電感電流，輕載時跳過脈沖以提高效率。

5.2 使能輸入（EN/UVLO）和軟啟動（SS）

當EN/UVLO電壓高于1.25V（典型值）時，設備啟動軟啟動序列。軟啟動時間取決于SS引腳電壓狀態，SS引腳未連接時，使用5ms的內部軟啟動；SS引腳連接電容時，通過5μA電流源對電容充電來控制軟啟動時間。EN/UVLO還可用于調節輸入欠壓鎖定（UVLO）電平，通過外部電阻分壓器實現。

5.3 開關頻率（RT/SYNC）

開關頻率可通過連接在RT/SYNC引腳的電阻在100kHz至2.2MHz之間編程，計算公式為(R{T}=frac{42000}{f{SW}})。同時，RT/SYNC引腳可用于將設備內部振蕩器與外部系統時鐘同步，但僅在PWM模式下支持，且RT電阻應使開關頻率比外部時鐘頻率低10%。

5.4 外部偏置（VOUT）

VOUT引腳為內部控制電路提供低電壓電源。當VOUT引腳電壓超過3.1V時，設備從該引腳獲取開關和靜態電流，提高轉換器效率。輸出電壓在3.3V至5V時，VOUT應通過陶瓷電容解耦到GND，并通過電阻連接到輸出電容正端；輸出電壓小于3.3V或大于5V時，VOUT應連接到GND。

5.5 復位輸出（RESET）

RESET為開漏輸出，用于監控輸出電壓。輸出電壓高于標稱值的95%后2ms，RESET變為高阻態；輸出電壓低于標稱值的92%時，RESET拉低。在打嗝超時期間，RESET也會拉低。

5.6 預偏置輸出啟動

MAX17531支持單調啟動進入預偏置輸出。啟動時，高端和低端開關關閉，直到PWM比較器發出第一個PWM脈沖才開始切換，輸出電壓平滑上升到目標值。

5.7 過流保護和打嗝模式

當電感峰值電流連續16次超過0.11A（典型值）時，設備進入打嗝模式。在該模式下，先進行磁滯逐周期峰值電流限制，持續時間為軟啟動時間的兩倍，然后關閉51ms的打嗝超時時間，直到輸出短路或過載消除。

5.8 熱過載保護

當結溫超過 + 160°C時，片上熱傳感器關閉設備，關閉內部功率MOSFET，結溫下降20°C后重新開啟。

六、元件選擇

6.1 電感選擇

應選擇直流電阻盡可能低的低損耗電感，電感值計算公式為(L=frac{18000 × V{OUT }}{f{SW}})，輸出電感的峰 - 峰紋波電流計算公式為(Delta l=frac{1000 × V{OUT } timesleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)}{f{SW} × L})。電感的飽和電流額定值必須超過最大電流限制值（IPEAK - LIMIT），至少為0.123A。常見的電感鐵芯材料有鐵氧體和粉末鐵，鐵氧體鐵芯損耗低，適用于高效設計；粉末鐵鐵芯損耗較大，但成本相對較低。

6.2 輸入電容選擇

推薦使用小型陶瓷輸入電容，可減少從電源汲取的峰值電流，降低開關電路引起的輸入噪聲和電壓紋波。建議使用最小1μF、X7R級、封裝大于0805的電容，以將輸入電壓紋波控制在最小輸入電壓的2%以內，并滿足最大紋波電流要求。

6.3 輸出電容選擇

推薦使用小型陶瓷X7R級輸出電容，其作用是在負載瞬態條件下存儲足夠能量以支持輸出電壓，并穩定設備的內部控制環路。通常，輸出電容應能支持應用中最大輸出電流50%的階躍負載，使輸出電壓偏差小于3%，最小所需輸出電容計算公式為(C{OUT } (in mu F ) =25 / V{OUT })。需注意陶瓷電容的介電材料會因直流偏置電平導致電容值損失，應適當降額以確保獲得所需的輸出電容。

6.4 軟啟動電容選擇

SS引腳未連接時，設備提供5.1ms的內部軟啟動。需要可調軟啟動時間時，在SS引腳連接電容，最小軟啟動時間與輸出電容（COUT）和輸出電壓（VOUT）的關系為(t{SS}>0.05 × C{OUT})，軟啟動時間（tSS）與連接在SS的電容（CSS）的關系為(C{SS}=6.25 × t{SS})。

七、參數設置

7.1 設置輸入欠壓鎖定電平

通過連接從IN到GND的電阻分壓器來設置設備開啟的電壓，將分壓器的中心節點連接到EN/UVLO。選擇R1最大為3.3MΩ，R2計算公式為(R 2=frac{R 1 × 1.25}{left(V_{INU }-1.25right)})，其中VINU為設備需要開啟的電壓。若EN/UVLO引腳由外部信號源驅動，建議在信號源輸出和EN/UVLO引腳之間放置最小1kΩ的串聯電阻，以減少線路上的電壓振鈴。

7.2 調整輸出電壓

輸出電壓可在0.8V至0.9×VIN之間編程，通過連接從輸出到FB再到GND的電阻分壓器來設置。選擇R2在25kΩ至100kΩ之間，R1計算公式為(R 1=R 2 timesleft[frac{V_{OUT }}{0.8}-1right])。

八、瞬態保護與功率耗散

8.1 瞬態保護

在預計會出現快速線路瞬變或振蕩（壓擺率超過15V/μs）的應用中，應使用串聯電阻與輸入陶瓷電容形成低通濾波器來保護MAX17531。這些瞬變可能在熱插拔、電感負載切換或電源線上的浪涌等情況下出現。

8.2 功率耗散

特定工作條件下，設備的功率損耗計算公式為(P{LOSS }=left(P{OUT } timesleft(frac{1}{eta}-1right)right)-left(I{OUT }^{2} × R{D C R}right))，其中POUT = VOUT × IOUT，η為功率轉換效率，RDCR為輸出電感的直流電阻。設備的結溫（TJ）可根據環境溫度（TA）通過公式(T{J}=T{A}+left(theta{JA} × P{LOSS}right))估算，其中θJA為封裝的結到環境熱阻。結溫超過 + 125°C會降低設備的使用壽命。

九、PCB布局指南

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。以下是一些布局指南：

• 輸入電容：將輸入陶瓷電容盡可能靠近VIN和GND引腳放置。
• 減少EMI：最小化LX引腳和電感連接形成的面積，以減少輻射EMI。
• 反饋連接：確保所有反饋連接短而直接。
• 高速節點：將高速開關節點（LX）遠離信號引腳布線。

總之，MAX17531是一款性能出色的同步降壓DC - DC轉換器，具有多種優勢和特性，適用于工業傳感器、過程控制、高壓LDO替代、電池供電設備、HVAC和建筑控制等多種應用場景。在設計過程中，合理選擇元件、設置參數和進行PCB布局，能充分發揮其性能，為電子系統提供穩定可靠的電源。你在使用MAX17531的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。