MAX5092/MAX5093：4V - 72V輸入LDO與升壓預調節器的完美結合

在電子設計領域，電源管理始終是一個關鍵環節。對于需要寬輸入電壓范圍且對功耗有嚴格要求的應用場景，一款性能出色的電源芯片至關重要。今天，我們就來深入探討一下Maxim Integrated推出的MAX5092/MAX5093系列，這兩款芯片是4V至72V輸入的LDO（低壓差線性穩壓器），并集成了升壓預調節器，為我們的設計帶來了諸多便利和優勢。

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一、產品概述

MAX5092A/MAX5092B/MAX5093A/MAX5093B是低靜態電流、低壓差的穩壓器，內部包含高頻升壓預調節器。它們能夠在冷啟動到負載突降（3.5V至80V）的輸入電壓條件下，無縫提供預設的3.3V（MAX5092A/MAX5093A）或5V（MAX5092B/MAX5093B）LDO輸出電壓，最大輸出電流可達250mA，同時具備出色的負載和線性調節能力。

在正常工作且電池狀態良好時，升壓預調節器會完全關閉，將靜態電流降至65μA（典型值），這使得該系列芯片非常適合始終開啟的電源應用。此外，LDO和升壓預調節器的組合實現了降壓 - 升壓操作，只需使用一個現成的電感器，取代了典型單端初級電感轉換器（SEPIC）和基于變壓器的反激拓撲所需的多繞組定制磁性元件，大大減小了元件尺寸。

二、產品特性

1. 寬輸入電壓范圍

支持3.5V至72V的寬輸入電壓范圍，啟動電壓為4V，能夠適應各種復雜的電源環境。

2. 靈活的輸出電壓

LDO輸出電壓可預設為3.3V或5V，也可通過外部電阻進行編程調節，調節范圍為1.5V至9V（MAX5092）或1.5V至10V（MAX5093）；升壓預調節器輸出電壓預設為7V，同樣可通過外部電阻調節，最高可達11V（MAX5092）或12V（MAX5093）。

3. 低功耗設計

在LDO模式下（ (V_{IN } ≥8 ~V) ），靜態電流僅為65μA；關機電流低至5μA，有效降低了系統功耗。

4. 保護功能完善

具備輸出過載、短路和熱保護功能，確保芯片在異常情況下的安全性和穩定性。同時，還擁有可編程超時時間的上電復位（RESET）輸出，方便系統進行復位操作。

5. 散熱性能良好

采用熱增強型16引腳5mm x 5mm薄型QFN封裝，在多層PCB板上，+70°C時可散熱高達2.7W，保證了芯片在高負載下的穩定運行。

三、電氣特性

1. 輸入電源特性

• 輸入電壓范圍為4V至72V，內部輸入欠壓鎖定（UVLO）閾值在 (V_{IN}) 下降時為3.0 - 3.4V，上升時為3.4 - 3.8V。
• 靜態電流在LDO模式下，當 (I{OUT }= 100μA) 時為65 - 85μA， (I{OUT }= 250mA) 時為70 - 100μA；升壓轉換器開啟時，電源電流為0.4 - 1.0mA；關機電源電流為6 - 10μA。

2. 升壓轉換器特性

• 最小BSOUT輸出電流在 (V_{IN }= 4V) 時為250mA。
• 升壓轉換器啟用閾值為1.7 - 2.3V，禁用閾值為2.2 - 2.8V，禁用遲滯為0.5V。
• BSOUT輸出電壓在 (V{IN }= 4V) 、 (BSFB = SGND) 、 (V{OUT }= 5V) 時為7.00V，最大BSOUT輸出電壓MAX5092_為11V，MAX5093_為12V。

3. LDO特性

• 保證輸出電流在 (V{BSOUT } - V{OUT } = 2V) 時為250mA。
• 輸出電壓在預設模式下，MAX5092A/MAX5093A為3.25 - 3.35V，MAX5092B/MAX5093B為4.900 - 5.075V；可調節輸出電壓范圍為1.5 - 9V（MAX5092）或1.5 - 10V（MAX5093）。
• 壓差電壓在 (I_{OUT }= 250mA) 時為0.9 - 1.6V，LDO啟動響應時間為200μs。
• 線性調節率在7V ≤ (V{IN } ≤ 72V) 、 (I{LOAD }= 10mA) 時為0.4 - 0.5mV/V，7V ≤ (V{IN } ≤ 28V) 、 (I{LOAD }= 250mA) 時為1.6mV/V。

四、引腳說明

MAX5092/MAX5093共有16個引腳，每個引腳都有其特定的功能：

• IN：輸入電源電壓，需通過一個47μF（低ESR）鋁電解電容器與一個1μF陶瓷電容器并聯旁路到電源接地平面。
• EN：使能輸入，高電平開啟芯片，低電平禁用芯片，直接連接到IN可實現始終開啟操作。
• SGND：信號接地，連接到信號接地平面和外露焊盤，與電源接地平面在輸入電容器的負極端連接。
• HOLD：輸出保持，當HOLD為低電平時，調節器存儲輸出的開啟狀態，即使EN為低電平，調節器仍保持啟用狀態。
• PGND_LDO：LDO電源接地，連接到電源接地平面，并與信號接地平面連接。
• SET：LDO反饋輸入，直接連接到SGND可將LDO輸出電壓設置為預設值，連接到外部電阻分壓器的中心抽頭可設置不同的輸出電壓。
• OUT_SENSE：LDO調節器輸出檢測，連接到負載附近輸出電容器的OUT端。
• OUT：LDO調節器輸出，通過一個10μF陶瓷電容器旁路到電源接地平面，輸出電壓可預設或調節。
• BSOUT：升壓調節器輸出電壓，通過一個22μF（低ESR）鋁電解電容器與一個1μF陶瓷電容器并聯旁路到PGND_BST接地平面，輸出電壓可預設或調節。
• LX：電感連接到內部功率MOSFET的漏極，引腳10和11應盡可能靠近器件連接，MAX5093還需連接到外部肖特基二極管的陽極。
• PGND_BST：升壓調節器電源接地，連接到電源接地平面，并與信號接地平面在輸入電容器的負極端連接。
• BSFB：升壓調節器反饋輸入，直接連接到SGND可將升壓調節器輸出電壓設置為7V，連接到外部電阻分壓器的中心抽頭可設置不同的輸出電壓。
• VL：內部調節器輸出，為IC供電，通過一個1μF/6.3V陶瓷電容器旁路到SGND，當 (V{BSOUT }) 高于5.5V時， (V{VL }) 調節到5.5V。
• CT：RESET超時編程輸入，連接一個電容器到SGND可設置RESET超時時間。
• RESET：RESET輸出，為開漏輸出，當 (V{OUT }) 超過輸出電壓閾值的92%時，經過編程的時間延遲后變為高阻態；當 (V{OUT }) 低于調節后的LDO輸出電壓的90%時，立即拉低。
• EP：外露焊盤，連接到信號接地平面（SGND），連接到大型信號接地平面可提高散熱性能。

五、功能框圖

MAX5092_和MAX5093_的功能框圖展示了其內部結構和工作原理。芯片內部包含升壓轉換器、LDO、控制邏輯、熱關斷和過流保護等模塊，通過合理的電路設計實現了高效的電源轉換和穩定的輸出。

六、詳細工作原理

1. 升壓轉換器

采用最小關斷時間、最大導通時間脈沖頻率調制（PFM）控制方案。當 (V{BSOUT }) 低于由 (V{BSFB }) 確定的調節點時，內部MOSFET導通；當電感電流達到峰值電流限制（典型值2.5A）或最大導通時間2.25μs時，MOSFET關斷，關斷后至少保持1μs。新的開關周期在 (V_{BSOUT }) 低于閾值時啟動。

2. 線性調節器

內部采用p溝道MOSFET作為LDO的傳輸晶體管，升壓調節器的輸出連接到p-MOSFET的源極。LDO在升壓調節器啟動200μs后啟動，最大輸出電流為250mA，典型壓差電壓為0.9V。LDO輸出電壓可通過SET輸入進行設置。

3. 內部調節器（VL）

為所有內部低壓模塊供電，通過一個1μF陶瓷電容器旁路到SGND。當 (V{BSOUT }) 高于5.5V時， (V{VL }) 調節到5.5V；當 (V{BSOUT }) 低于5.5V時， (V{VL }) 跟蹤 (V_{BSOUT }) 的電壓。

4. 上電復位輸出（RESET）

當LDO輸出電壓（ (V{OUT }) ）低于標稱輸出電壓的90%時，RESET經過短暫延遲后拉低；當 (V{OUT }) 高于標稱輸出電壓的92%時，經過編程的復位超時時間后，RESET變為高阻態。

5. 使能和保持輸入

通過EN（高電平有效）和HOLD（低電平有效）兩個邏輯輸入實現自保持電路。例如，點火開關將EN拉高，調節器開啟；若HOLD隨后被拉低，即使EN變為低電平，調節器仍保持開啟狀態。

七、應用電路

文檔中給出了MAX5092B、MAX5093B、MAX5092A和MAX5093A的典型應用電路，展示了不同預設和可調節輸出電壓的配置方式。這些電路為工程師提供了實際設計的參考，方便根據具體需求進行應用開發。

八、設計指南

1. 輸入電容和升壓電容選擇

• 輸入電容（ (C_{IN}) ）：由于升壓轉換器的輸入電流波形連續，通常對輸入電容的容量要求不高。但為了應對冷啟動壓降，建議使用大容量、低ESR的電容器。在低溫情況下，可選擇ESR低于40mΩ的電解液電容器或并聯一個10μF的低ESR陶瓷電容器。
• 升壓電容（ (C{BSOUT}) ）：升壓轉換器輸出電流波形不連續，需要在BSOUT端使用大容量、低ESR的電容器，以確保低 (V{BSOUT }) 紋波。可使用以下公式計算所需的ESR： (ESR {BSOUT }=frac{Delta V{ESRBS }}{I{LIM }-I{OUT }}) ，其中 (Delta V{ESRBS }) 為 (V{BSOUT }) 總峰 - 峰紋波的75%， (I{LIM }) 為內部開關電流限制（最大3A）， (I{OUT }) 為LDO輸出電流。同時，可使用公式 (Delta V{CBS}=frac{I{OUT } × 2.7 × 10^{-6}}{C_{BSOUT }}) 估算電容器放電引起的紋波。

2. 電感選擇

MAX5092/MAX5093的控制方案允許靈活選擇電感值。較小的電感值通常具有較小的物理尺寸，但可能會增加紋波；較大的電感值可提供更高的效率和較小的紋波，但可能會降低最大輸出電流。為了獲得最大輸出電流，可選擇電感值滿足 (L leq frac{V{IN } × t{ON-MAX }}{I{LIM }}) 的電感，其中 (t{ON-MAX }) 典型值為2.25μs， (I{LIM }) 最大為3A，同時應選擇最大飽和電流（ (I{SAT }) ）大于3A的電感。

3. 設置升壓輸出電壓（ (V_{BSOUT }) ）

具有預設和可調兩種模式。預設模式下，將BSFB直接連接到SGND， (V{BSOUT }) 設置為7V；可調模式下，將BSFB連接到外部電阻分壓器的中心抽頭，可通過公式 (R 1=R 2 timesleft(frac{V{BSOUT }}{V{BSFB }}-1right)) 計算電阻值，其中 (V{BSFB }) 為BSFB的調節電壓（典型值1.24V）。

4. 設置LDO輸出電壓（ (V_{OUT }) ）

同樣具有預設和可調兩種模式。預設模式下，將SET連接到SGND， (V{OUT }) 調節到3.3V（MAX5092A/MAX5093A）或5V（MAX5092B/MAX5093B）；可調模式下，將SET連接到外部電阻分壓器的中心抽頭，可通過公式 (R 4=R 5 timesleft(frac{V{OUT }}{V{SET }}-1right)) 計算電阻值，其中 (V{SET }) 為SET的調節電壓（典型值1.24V）。

5. 肖特基二極管選擇（MAX5093_）

MAX5093_需要在LX和BSOUT之間連接一個外部二極管。建議選擇肖特基二極管，其具有快速恢復時間和低正向電壓降的特點。二極管的峰值電流額定值應大于或等于內部升壓轉換器MOSFET的峰值電流限制，平均正向電流額定值至少為1A，反向擊穿電壓應大于最壞情況下的負載突降條件電壓。

6. CT電容選擇

通過連接一個電容器從CT到SGND可設置RESET超時時間，計算公式為 (C{CT}=frac{2 × 10^{-6} × t{DELAY }}{1.24}) ，其中 (t_{DELAY }) 為所選的RESET有效超時時間。

7. 最大輸出電流（ (I_{OUT_MAX }) ）

MAX5092_/MAX5093的最大輸出電流受封裝功率耗散限制。可根據環境溫度使用公式計算允許的封裝耗散功率（ (P{DISS }) ），再通過公式 (I_{OUTMAX }=frac{P{DISS }-P{LOSS (BST) }}{V{IN }-V{OUT }}) 計算最大輸出電流，其中 (P{LOSS (BST) }) 為升壓轉換器的功率損耗。

8. PCB布局指南

• 使用大面積銅平面作為SGND，并將其焊接到外露焊盤，將銅平面暴露在PCB的頂部和底部，以提高散熱性能。
• 隔離功率元件和高電流路徑與敏感模擬電路，保持高電流路徑短，特別是在接地端子處。
• 將輸入電容器和升壓輸出電容器的返回端子連接到PGND_BST電源接地平面，在輸入電容器的負極端將電源接地和信號接地平面連接。
• 確保反饋連接短而直接，保證BSFB和SGND之間的低阻抗路徑，將BSFB的瞬態限制在100mV以內。
• 路由高速開關節點遠離敏感模擬區域，使用內部PCB層作為SGND的EMI屏蔽，減少輻射噪聲對IC、反饋分壓器和旁路電容器的影響。

九、總結

MAX5092/MAX5093系列芯片以其寬輸入電壓范圍、靈活的輸出電壓調節、低功耗設計和完善的保護功能，為電子工程師在電源管理設計中提供了一個優秀的解決方案。通過合理選擇元件和遵循PCB布局指南，能夠充分發揮芯片的性能，滿足各種應用場景的需求。在實際設計中，工程師們可以根據具體的項目要求，靈活運用這些芯片，打造出高效、穩定的電源系統。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。