MAX8655：高度集成的25A寬輸入降壓調(diào)節(jié)器

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。一款性能優(yōu)異的降壓調(diào)節(jié)器能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。今天，我們就來(lái)深入了解一下Maxim公司的MAX8655，這是一款高度集成的25A寬輸入降壓調(diào)節(jié)器，具有諸多出色的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

文件下載：MAX8655.pdf

產(chǎn)品概述

主要參數(shù)

MAX8655是一款同步PWM降壓調(diào)節(jié)器，輸入電壓范圍為4.5V至25V，輸出電壓可在0.7V至5.5V之間調(diào)節(jié)，最大負(fù)載電流可達(dá)25A。它集成了功率MOSFET，具有小尺寸、易于布局和降低EMI的優(yōu)點(diǎn)。該調(diào)節(jié)器采用峰值電流模式控制架構(gòu)，開(kāi)關(guān)頻率可調(diào)（200kHz至1MHz），并且可以外部同步。

應(yīng)用領(lǐng)域

MAX8655適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括負(fù)載點(diǎn)電源、電信電源、網(wǎng)絡(luò)、非隔離式DC - DC電源模塊、服務(wù)器和工作站、筆記本電腦以及IBA電源等。

特性亮點(diǎn)

高集成度與高性能

• 集成功率MOSFET：減少了外部元件數(shù)量，縮小了電路板尺寸，同時(shí)降低了EMI，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
• 寬輸入電壓范圍：4.5V至25V的輸入范圍，使其能夠適應(yīng)多種電源環(huán)境，增強(qiáng)了產(chǎn)品的通用性。
• 高精度輸出：在溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)B電壓精度可達(dá)1%，確保輸出電壓的穩(wěn)定性。

靈活的控制與保護(hù)功能

• 可調(diào)參數(shù)：開(kāi)關(guān)頻率、輸出電壓、過(guò)流限制、斜率補(bǔ)償?shù)葏?shù)均可調(diào)，滿(mǎn)足不同應(yīng)用的需求。
• 同步功能：提供180°異相同步輸出，可與另一個(gè)MAX8655同步，減少輸入紋波和輸出紋波。
• 過(guò)壓保護(hù)：獨(dú)立的過(guò)壓保護(hù)功能，增強(qiáng)了輸出過(guò)壓保護(hù)能力，提高了系統(tǒng)的安全性。
• 軟啟動(dòng)功能：內(nèi)部軟啟動(dòng)電路可逐漸提升參考電壓，控制輸出電壓的上升速率，減少啟動(dòng)時(shí)的輸入浪涌電流。

電氣特性

絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于正確使用和保護(hù)器件至關(guān)重要。MAX8655的各項(xiàng)引腳電壓、電流、溫度等參數(shù)都有明確的限制，如PVIN、IN、EN到GND的電壓范圍為 - 0.3V至 + 30V，工作結(jié)溫范圍為 - 40°C至 + 125°C等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須確保器件工作在這些額定值范圍內(nèi)，以避免損壞器件。

電氣參數(shù)

文檔中詳細(xì)列出了MAX8655的各項(xiàng)電氣參數(shù)，包括輸入電壓范圍、靜態(tài)電流、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍、振蕩器頻率、熱保護(hù)閾值等。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。例如，在選擇輸入電容和輸出電容時(shí)，需要根據(jù)輸入電壓、輸出電流、開(kāi)關(guān)頻率等參數(shù)來(lái)計(jì)算電容的紋波電流和電壓紋波，以確保電容能夠滿(mǎn)足電路的要求。

工作原理

DC - DC轉(zhuǎn)換器控制架構(gòu)

MAX8655采用PWM峰值電流模式控制方案。內(nèi)部跨導(dǎo)放大器建立積分誤差電壓，PWM比較器將積分電壓反饋信號(hào)與放大的電流檢測(cè)信號(hào)加上可調(diào)斜率補(bǔ)償斜坡進(jìn)行比較，以確保穩(wěn)定性。在內(nèi)部時(shí)鐘的每個(gè)上升沿，內(nèi)部高端MOSFET導(dǎo)通，直到PWM比較器觸發(fā)或達(dá)到最大占空比。在導(dǎo)通期間，電流通過(guò)電感上升，將能量存儲(chǔ)在輸出電感中并為負(fù)載提供電流。在周期的后半部分，高端MOSFET關(guān)斷，低端MOSFET導(dǎo)通，輸出電感釋放存儲(chǔ)的能量，為負(fù)載提供電流。

內(nèi)部線(xiàn)性調(diào)節(jié)器

MAX8655包含兩個(gè)內(nèi)部LDO調(diào)節(jié)器，AVL調(diào)節(jié)器為IC的內(nèi)部電路提供5V電源，VL調(diào)節(jié)器為MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器提供6.5V電源。在使用時(shí)，需要在VL和VLGND之間連接一個(gè)2.2μF的陶瓷電容，在AVL和GND之間連接一個(gè)1μF的陶瓷電容。

欠壓鎖定

當(dāng)VAVL下降到4.03V以下時(shí)，欠壓鎖定（UVLO）電路會(huì)抑制開(kāi)關(guān)動(dòng)作，關(guān)閉兩個(gè)內(nèi)部功率MOSFET。當(dāng)VAVL上升到4.15V以上時(shí)，調(diào)節(jié)器進(jìn)入啟動(dòng)序列并恢復(fù)正常運(yùn)行。

啟動(dòng)和軟啟動(dòng)

內(nèi)部軟啟動(dòng)電路通過(guò)逐漸提升參考電壓來(lái)控制輸出電壓的上升速率，減少啟動(dòng)時(shí)的輸入浪涌電流。軟啟動(dòng)時(shí)間由連接在SS和GND之間的電容值決定，大約為(30.4ms/μF) x CSS。此外，MAX8655還具有單調(diào)輸出電壓上升特性，能夠在預(yù)偏置輸出的情況下安全啟動(dòng)，避免輸出電壓下降。

電流檢測(cè)和限制

電流檢測(cè)放大器放大差分電流檢測(cè)電壓（VCS+ - VCS-），該信號(hào)與內(nèi)部斜率補(bǔ)償信號(hào)相加后輸入到PWM比較器的反相輸入端。當(dāng)VSUM超過(guò)積分反饋電壓（VCOMP）時(shí)，PWM比較器關(guān)閉高端MOSFET。MAX8655采用折返和峰值電流限制相結(jié)合的方式，在輸出嚴(yán)重過(guò)載或短路時(shí)，谷值折返電流限制可降低外部元件的功耗。

開(kāi)關(guān)頻率和同步

MAX8655的內(nèi)部振蕩器頻率可調(diào)，范圍為200kHz至1MHz。通過(guò)連接一個(gè)電阻到FSYNC引腳可以設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率，也可以通過(guò)連接外部時(shí)鐘信號(hào)到FSYNC引腳實(shí)現(xiàn)同步。同步輸出（SYNCO）可用于與另一個(gè)MAX8655實(shí)現(xiàn)180°異相運(yùn)行。

過(guò)壓保護(hù)和電源良好信號(hào)

MAX8655提供輸出過(guò)壓保護(hù)（OVP），通過(guò)電阻分壓器獨(dú)立設(shè)置OVP閾值。當(dāng)OVP引腳的電壓超過(guò)閾值時(shí)，調(diào)節(jié)器停止開(kāi)關(guān)動(dòng)作并鎖定低端功率MOSFET。POK是一個(gè)開(kāi)漏輸出引腳，用于監(jiān)測(cè)輸出電壓，當(dāng)輸出電壓高于標(biāo)稱(chēng)調(diào)節(jié)電壓的92%時(shí)，POK為高阻態(tài)；當(dāng)輸出電壓低于標(biāo)稱(chēng)調(diào)節(jié)電壓的89%時(shí)，POK被內(nèi)部拉低。

熱過(guò)載保護(hù)

熱過(guò)載保護(hù)功能可限制MAX8655的總功耗。當(dāng)結(jié)溫超過(guò) + 160°C時(shí)，內(nèi)部熱傳感器會(huì)關(guān)閉器件，待結(jié)溫下降15°C后，器件重新開(kāi)啟，在連續(xù)熱過(guò)載條件下會(huì)產(chǎn)生脈沖輸出。

設(shè)計(jì)步驟

設(shè)置輸出電壓

通過(guò)將FB引腳連接到外部電阻分壓器的中心，可以設(shè)置MAX8655的輸出電壓。選擇合適的電阻值，根據(jù)公式 (R3 = R5 times (frac{V{OUT}}{V{FB}} - 1)) 計(jì)算R3的值，其中 (V_{FB}=0.7V) 或VREFIN。

設(shè)置輸出過(guò)壓保護(hù)

將OVP引腳連接到外部電阻分壓器的中心，可設(shè)置過(guò)壓閾值電壓。根據(jù)公式 (R4 = R6 times (frac{V{OUT}}{V{OVP}} - 1)) 計(jì)算R4的值，其中 (V{OVP}=1.15 times V{FB})。

電感選擇

選擇電感時(shí)，需要考慮輸入電壓、輸出電壓、負(fù)載電流、開(kāi)關(guān)頻率和LIR（電感電流紋波與最大直流負(fù)載電流的比值）等參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，LIR取0.3是一個(gè)較好的折衷值。根據(jù)公式 (L=frac{V{OUT} times (V{IN} - V{OUT})}{V{IN} times f{S} times I{LOAD(MAX)} times LIR}) 計(jì)算電感值，并選擇接近計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)電感。

設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率

通過(guò)連接一個(gè)電阻到FSYNC引腳來(lái)設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率，根據(jù)公式 (R{FSYNC}=frac{30600}{f{S}} - 9.914) 計(jì)算電阻值，其中 (f_{S}) 是所需的開(kāi)關(guān)頻率（kHz）。

設(shè)置斜率補(bǔ)償

對(duì)于占空比小于40%的應(yīng)用，將SCOMP引腳連接到GND可設(shè)置內(nèi)部斜率補(bǔ)償為默認(rèn)的125mV/T；對(duì)于占空比大于40%的應(yīng)用，需要通過(guò)電阻分壓器設(shè)置SCOMP電壓。

設(shè)置電流限制

• 谷值電流限制：可配置為具有自動(dòng)恢復(fù)的折返模式或具有鎖存功能的恒流限制模式。通過(guò)連接電阻到ILIM2引腳來(lái)設(shè)置谷值電流限制。
• 峰值電流限制：通過(guò)連接電阻到ILIM1引腳來(lái)設(shè)置峰值電流限制閾值，根據(jù)公式 (R{ILIM1}=frac{7.5 times V{TH}}{10 mu A}) 計(jì)算電阻值。

電容選擇

• 輸入電容：輸入濾波電容可減少?gòu)碾娫次〉姆逯惦娏鳎档碗娐烽_(kāi)關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。選擇陶瓷電容，確保其在最大工作RMS電流下的溫度上升小于10°C。
• 輸出電容：輸出電容的選擇需要考慮實(shí)際電容值、等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL）和電壓額定要求等參數(shù)。根據(jù)公式計(jì)算輸出電壓紋波，選擇合適的電容以滿(mǎn)足穩(wěn)定性、輸出電壓紋波和瞬態(tài)響應(yīng)的要求。

補(bǔ)償設(shè)計(jì)

MAX8655使用內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器來(lái)補(bǔ)償控制環(huán)路。外部電感、輸出電容、補(bǔ)償電阻和補(bǔ)償電容決定了環(huán)路的穩(wěn)定性。根據(jù)不同的應(yīng)用情況，選擇合適的補(bǔ)償組件值，以確保環(huán)路具有足夠的相位裕度和穩(wěn)定性。

PCB布局指南

PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)低損耗、干凈穩(wěn)定的運(yùn)行至關(guān)重要。以下是一些PCB布局的指導(dǎo)原則：

1. 電容放置：將IC去耦電容盡可能靠近IC引腳放置，分離電源和模擬接地平面，將輸入陶瓷去耦電容直接跨接在PVIN和PGND之間。
2. 多層PCB：對(duì)于輸出電流大于10A的情況，建議使用四層PCB，并在IC下方的第二層鋪設(shè)模擬接地平面，以減少噪聲耦合。
3. 電容連接：將輸入、輸出和VL電容連接到電源接地平面，將其他電容連接到信號(hào)接地平面，并在輸出電容處連接模擬和電源接地平面。
4. 電流檢測(cè)元件放置：將電感電流檢測(cè)電阻和電容盡可能靠近電感放置，采用開(kāi)爾文連接以減少PCB走線(xiàn)電阻的影響。
5. 散熱設(shè)計(jì)：將暴露焊盤(pán)部分連接到相應(yīng)的IC引腳，并提供足夠的銅面積以幫助器件散熱。
6. 反饋和補(bǔ)償組件放置：將反饋和補(bǔ)償組件盡可能靠近IC引腳放置，將反饋電阻分壓器從FB連接到VOUT，盡可能靠近最遠(yuǎn)的輸出電容。

總結(jié)

MAX8655是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的降壓調(diào)節(jié)器，具有高度集成、靈活控制和多種保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇器件參數(shù)、設(shè)計(jì)電路和進(jìn)行PCB布局，以充分發(fā)揮MAX8655的性能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。你在使用MAX8655的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。