MAX17793：高效同步降压DC - DC转换器的详细解析

在电子设备的电源设计中，一款高性能的DC - DC转换器至关重要。今天我们就来深入了解一下Analog Devices推出的MAX17793，这是一款3V至80V、3A的高效同步降压DC - DC转换器。

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一、器件特性亮点

1. 尺寸与成本优化

MAX17793采用同步操作，无需肖特基二极管，内部集成了补偿组件，支持全陶瓷电容，能够实现紧凑的布局，有效减小了方案的尺寸和成本。其输出电压范围可在0.6V至输入电压的90%之间进行调节，并且开关频率可在300kHz至1.5MHz之间调整，还支持外部时钟同步，同时对称的IN引脚有助于降低EMI。

2. 高效节能

该器件具有出色的效率表现，在输入电压 (V{IN}=48V) 、输出电压 (V{OUT}=5V) 时，峰值效率可达91%。通过开关频率调制（SFM）模式，能够增强轻载效率，还具备外部偏置输入，可进一步提高效率。此外，它还支持管芯温度监测功能。

3. 可靠的工业应用性能

MAX17793能够在恶劣的工业环境中可靠运行，内置打嗝模式过载保护和可编程软启动功能，通过RESET/TJ引脚可进行输出电压监测，EN/UVLO阈值也可编程。同时，它符合CISPR32（EN55032）Class B传导和辐射发射标准，工作温度范围为 - 40°C至 + 125°C，结温范围为 - 40°C至 + 150°C。

二、工作原理与功能

1. 基本工作模式

MAX17793是一款集成MOSFET的高效高压同步降压DC - DC转换器，输入电压范围为3V至80V，可提供高达3A的电流，输出电压范围为0.6V至输入电压的90%。它采用峰值电流模式控制架构，内部跨导误差放大器在内部节点产生积分误差电压，通过PWM比较器、高端电流检测放大器和斜率补偿发生器来设置占空比。

2. 模式选择与时钟同步

MODE/SYNC引脚可用于将器件编程为强制脉冲宽度调制（PWM）或开关频率调制（SFM）模式，并能将内部时钟与外部时钟同步。当MODE/SYNC引脚电压低于0.5V时，器件在所有负载下以恒定频率PWM模式工作；当引脚开路（电压高于1.3V）时，在轻载下以SFM模式工作。外部时钟频率需在1.1 x (f{sw}) 至1.4 x (f{sw}) 之间（ (f_{sw}) 为编程的开关频率）。

3. PWM与SFM模式特点

• PWM模式：电感电流允许为负，能在所有负载下提供恒定频率操作，适用于对开关频率敏感的应用，但轻载效率低于SFM模式。
• SFM模式：轻载时电感电流不连续，可降低轻载时的频率，使器件进入休眠状态以提高效率。当负载所需的电感峰值电流小于 (I{PK - SFM}) 且电感谷值电流连续32个开关周期达到零时，器件进入SFM模式；当负载所需的电感峰值电流超过 (I{PK - SFM}) 时，退出SFM模式。

4. 线性稳压器

MAX17793有两个内部低压差线性稳压器IN - LDO和EXT - LDO，为INTVCC供电。IN - LDO由IN引脚供电，EXT - LDO由EXTVCC引脚供电。根据EXTVCC引脚电压，只有其中一个线性稳压器工作。当EXTVCC引脚电压大于2.3V时，在软启动时间结束时从IN - LDO切换到EXT - LDO，可降低片上功耗，提高效率。

5. 开关频率设置

通过将电阻从RT引脚连接到SGND，可将器件的开关频率编程为300kHz至1.5MHz。开关频率 (f{sw}) 与连接在RT引脚的电阻 (R{RT}) 之间的关系为 (R{RT} cong frac{31914}{f{sw}} - 4.36) （ (R{RT}) 单位为kΩ， (f{sw}) 单位为kHz）。若RT引脚开路，默认开关频率为400kHz。

6. 过流保护与打嗝模式

MAX17793提供强大的过流保护（OCP）方案，通过对电感电流的滞回控制来保护器件。当电感峰值电流超过内部峰值电流限制5.3A时，高端MOSFET关断，低端MOSFET导通；当电感电流降低2.36A时，低端MOSFET关断，高端MOSFET导通。若软启动完成后FB节点电压因故障降至0.36V以下，将激活打嗝模式，在此模式下，转换器暂停开关操作130ms，超时后尝试重新软启动。

7. RESET/TJ引脚功能

该引脚可用于监测输出电压状态或管芯温度，但两者不能同时使用。监测输出电压时，需将开漏RESET/TJ输出通过上拉电阻连接到偏置电源电压；监测管芯温度时，将20kΩ电阻从RESET/TJ连接到SGND。

8. 预偏置输出处理

当MAX17793启动到预偏置输出时，高端和低端开关保持关断，直到SS引脚电压超过反馈引脚电压，MOSFET才开始切换，输出电压随后平滑上升到目标值。

9. 热关断保护

当器件结温超过 + 165ºC时，片上热传感器将关闭器件，待结温下降20°C后，器件通过软启动重新开启。

三、应用信息

1. 电容与电感选择

• 输入电容：输入滤波电容可减少从电源汲取的峰值电流，降低输入噪声和电压纹波。输入电容的RMS电流要求为 (I{RMS}=I{OUT(MAX)} × frac{sqrt{(V{IN}-V{OUT}) × V{OUT}}}{V{IN}}) ，当 (V{IN}=2 × V{OUT}) 时， (I{RMS}) 达到最大值 (frac{I{OUT(MAX)}}{2}) 。建议选择在RMS输入电流下温度上升小于 + 10°C的低ESR陶瓷电容，输入电容值可通过 (C{IN}=frac{I{OUT(MAX)} × D × (1 - D)}{eta × f{SW} × Delta V{IN}}) 计算（其中 (D = V{OUT}/V{IN}) 为占空比， (f{SW}) 为开关频率， (Delta V{IN}) 为允许的输入电压纹波， (eta) 为效率）。
• 电感：电感的关键参数包括电感值L、饱和电流 (I{SAT}) 和直流电阻 (R{DCR}) 。电感值可根据 (L=frac{0.55 × V{OUT}}{f{SW}}) 计算（ (V{OUT}) 和 (f{sw}) 为标称值， (f{sw}) 单位为Hz），应选择接近计算值、低损耗、直流电阻尽可能低的电感，且电感的饱和电流额定值应足够高，以确保在 (I{PEAK - LIMIT}) 以上才会饱和。
• 输出电容：工业应用中首选X7R陶瓷输出电容，其输出电容通常根据支持40%最大输出电流的阶跃负载来选择，使输出电压偏差控制在输出电压的3%以内。最小所需输出电容可通过 (C{OUT1}=frac{1}{2} × frac{I{STEP} × t{RESPONSE}}{Delta V{OUT}}) 计算（ (t{RESPONSE} cong frac{0.35}{f{C}}) ， (I{STEP}) 为负载电流阶跃， (f{C}) 为目标闭环交叉频率）。在SFM模式下，满足特定负载下输出电压纹波规格所需的最小输出电容为 (C{OUT2}=frac{1}{2} × frac{L{SEL} × (I{PK - SFM}-I{O})^{2}}{Delta V{OUT - RIPPLE}} × (frac{1}{V{IN}-V{OUT}}+frac{1}{V{OUT}})) （ (I{O}) 小于等于 (I{PK - SFM}) 的一半），最终输出电容应选择 (C{OUT1}) 和 (C{OUT2}) 中的较大值。

2. 软启动电容选择

MAX17793通过将电容从SS引脚连接到SGND来实现可调软启动操作，以减少浪涌电流。最小所需软启动电容 (C{SS} geq 33 × 10^{-6} × C{OUTSEL} × V{OUT}) （ (C_{OUTSEL}) 和 (C{SS}) 单位为法拉），软启动时间 (t{SS}=frac{C{SS}}{8.33 × 10^{-6}}) （ (C{SS}) 单位为法拉， (t{SS}) 单位为秒）。

3. 输入欠压锁定设置

可通过连接从 (V{IN}) 到SGND的电阻分压器来设置器件开启的电压，将分压器的中心节点连接到EN/UVLO引脚。建议 (V{INU}) 高于0.8 x (V_{OUT}) ，以避免在缓慢上电或下电时出现打嗝现象。若EN/UVLO引脚由外部信号源驱动，建议在信号源输出引脚和EN/UVLO引脚之间放置至少1kΩ的串联电阻，以减少线路上的电压振铃。

4. 输出电压调整

通过连接从输出电压节点 (V{OUT}) 到SGND的电阻分压器来设置输出电压，将分压器的中心节点连接到FB引脚。电阻 (R{FBTOP}) 可通过 (R{FBTOP}=frac{200}{f{C} × C_{OUTSEL}}) 计算（ (f{C}) 为交叉频率， (C_{OUTSEL}) 为所选输出电容在直流偏置电压下的实际电容值），电阻 (R{FBBOT}) 可通过 (R{FBBOT}=frac{R{FBTOP} × 0.6}{V{OUT}-0.6}) 计算。在SFM模式或应用中使用动态模式切换时，需在FB引脚两端添加电容 (C{FF}) ，其电容值应满足 (frac{550}{R{FBTOP}} < C{FF} < frac{850}{R_{FB_TOP}}) 。

5. 功率损耗与温度估算

在特定工作条件下，器件的功率损耗可通过 (P{LOSS}=P{OUT} × (frac{1}{eta}-1)-(I{OUT}^{2} × R{DCR})) 估算（ (P{OUT}=V{OUT} × I{OUT}) ， (P{OUT}) 为输出功率， (eta) 为转换器效率， (R{DCR}) 为电感的直流电阻）。若不使用管芯温度监测功能，可通过 (T{J}=T{AMB}+(theta{JA} × P{Loss})) 估算器件的管芯温度（ (T{AMB}) 为最大环境温度， (theta_{JA}) 为热阻）。需要注意的是，结温超过 + 125°C会降低器件的使用寿命。

6. PCB布局指南

PCB布局对MAX17793的性能至关重要。所有承载脉冲电流的走线应尽可能短且宽，以减小电感和辐射EMI。信号地（SGND）和开关电流的功率地（PGND）应分开。输入电容应靠近IN和PGND引脚放置，INTVCC电容靠近INTVCC引脚并连接到SGND平面，BST电容靠近BST和LX引脚，电感靠近LX引脚，输出电容靠近电感的非开关侧，RT电阻、SS电容和FB电阻应靠近各自的引脚并连接到SGND平面。同时，应在IN、PGND和LX引脚下方提供多个连接到大平面的热过孔，以实现高效散热。

四、典型应用电路

文档中给出了多个典型应用电路示例，包括5V输出（400kHz和1.5MHz开关频率）、3.3V输出（375kHz开关频率）和12V输出（400kHz开关频率）等不同情况，为工程师在实际设计中提供了参考。

综上所述，MAX17793是一款功能强大、性能优越的DC - DC转换器，适用于工业、航空电子、重型设备、工厂和建筑自动化、电机控制以及通用电源等多种应用场景。在设计过程中，工程师需根据具体需求合理选择电容、电感等元件，并注意PCB布局，以充分发挥该器件的性能优势。大家在使用MAX17793进行设计时，是否也遇到过一些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。