深入解析MAX17795：高效同步降压DC - DC转换器的卓越之选

在电子工程师的日常设计工作中，电源管理芯片的选择至关重要。一款性能优异的DC - DC转换器能够为系统提供稳定、高效的电源，确保设备的可靠运行。今天，我们就来深入探讨一下Analog Devices公司的MAX17795，这是一款高电压、高效率的同步降压DC - DC转换器，它集成了MOSFET，能在3V至80V的宽输入电压范围内工作，最大可输出5A电流，输出电压范围从0.6V到输入电压的90%。

文件下载：MAX17795.pdf

一、关键特性

1. 减小方案尺寸和成本

• 同步操作：采用无肖特基二极管的同步操作，减少了外部元件的使用，降低了成本。
• 内部补偿：内置补偿组件，无需外部补偿元件，简化了设计。
• 全陶瓷电容：支持全陶瓷电容，有助于实现紧凑的布局，减小方案尺寸。
• 可调输出：输出电压范围可调，从0.6V到输入电压的90%，满足不同应用需求。
• 可调频率：开关频率可在300kHz至1.5MHz之间调节，并支持外部时钟同步，方便与其他系统进行同步。

2. 降低功耗

• 高效率：在(V{IN}=48V)和(V{out}=5V)的条件下，峰值效率可达92%。
• 轻载效率提升：采用开关频率调制（SFM）模式，在轻载时提高效率。
• 外部偏置输入：外部偏置输入可提高效率，降低功耗。
• 温度监测：具备芯片温度监测功能，可实时了解芯片工作状态。

3. 恶劣工业环境下可靠运行

• 过载保护：内置打嗝模式过载保护，在过载或短路时保护芯片。
• 可编程软启动：可编程软启动功能，减少启动时的浪涌电流。
• 输出电压监测：通过RESET/TJ引脚可监测输出电压状态。
• 可编程EN/UVLO阈值：可根据需求设置输入欠压锁定阈值。
• 电磁兼容性：符合CISPR32（EN55032）Class B传导和辐射发射标准，降低电磁干扰。
• 宽温度范围：工作温度范围为 - 40°C至 + 125°C，结温范围为 - 40°C至 + 150°C，适应恶劣工业环境。

二、工作模式

1. PWM模式

在PWM模式下，电感电流允许为负，能在所有负载下提供恒定频率的操作，适用于对开关频率敏感的应用。但在轻载时，其效率相对SFM模式较低。

2. SFM模式

SFM模式下，轻载时电感电流不连续，可降低开关频率，使设备进入休眠状态，从而提高轻载效率。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，设备进入SFM模式；当负载所需的电感峰值电流超过该值时，设备退出SFM模式。此外，在SFM模式下，当设备在每个开关周期的高阻抗状态持续超过7.5µs，且连续8个开关周期都是如此时，设备进入休眠模式；当休眠时间小于6.5µs时，设备退出休眠模式。不过，SFM模式下的输出电压纹波比PWM模式高，可通过调整输出电容来达到所需的稳态输出电压纹波。

三、引脚功能

1. BST引脚

用于连接自举电容，连接一个0.1μF的陶瓷电容在BST和LX引脚之间。

2. LX引脚

开关节点引脚，LX（Pin 2）连接到自举电容的一端，LX（Pin 6）连接到电感的开关侧。

3. IN引脚

电源输入引脚，需要两个0.1μF的输入旁路电容，分别放置在IN（Pin 3）和PGND（Pin 4, 5）以及IN（Pin 9）和PGND（Pin 7, 8）之间，且输入电容应尽可能靠近MAX17795。

4. PGND引脚

电源接地引脚，连接到电源接地平面。

5. EN/UVLO引脚

使能/欠压锁定引脚，将该引脚拉高可使能设备，连接到IN和SGND引脚之间的电阻分压器中心节点可设置设备开启的输入电压，拉低则禁用设备。

6. EXTVCC引脚

外部偏置输入引脚，当输出电压在2.5V至24V之间时，将该引脚连接到转换器输出电压节点可提高效率；不使用该功能时，将其连接到SGND引脚。

7. FB引脚

反馈输入引脚，连接到输出到SGND引脚的外部电阻分压器的中心节点，用于设置输出电压。

8. RT引脚

开关频率编程输入引脚，连接一个电阻到SGND引脚可设置转换器的开关频率，范围为300kHz至1.5MHz；若该引脚悬空，则默认开关频率为400kHz。

9. SS引脚

软启动输入引脚，连接一个电容到SGND引脚可设置软启动时间。

10. MODE/SYNC引脚

模式选择/外部时钟同步输入引脚，可配置设备工作在PWM或SFM模式，也可用于将转换器与外部时钟同步。

11. RESET/TJ引脚

开漏状态输出/芯片温度监测输出引脚，可用于监测输出电压状态或芯片温度，但这两个功能不能同时使用。

12. SGND引脚

信号接地引脚。

13. INTVCC引脚

1.8V线性稳压器输出引脚，连接一个至少2.2μF的陶瓷电容到SGND引脚，该线性稳压器不支持INTVCC引脚的外部负载。

14. EP引脚

外露焊盘，内部连接到IN引脚，在PCB上应使用平面将其连接到IN引脚。

四、应用信息

1. 输入电容选择

输入滤波电容可减少从电源吸取的峰值电流，降低电路开关引起的输入噪声和电压纹波。输入电容的RMS电流要求可通过公式(I{RMS}=I{OUT(MAX)} × frac{sqrt{(V{IN}-V{OUT}) × V{OUT}}}{V{IN}})计算，当输入电压等于输出电压的两倍时，(I{RMS})达到最大值(I{RMS(MAX)}=frac{I{OUT(MAX)}}{2})。应选择在RMS输入电流下温度上升小于 + 10°C的输入电容，建议使用低ESR、高纹波电流能力的陶瓷电容，如X7R电容。输入电容的计算可使用公式(C{IN}=frac{I{OUT(MAX)} × D ×(1 - D)}{eta × f{SW} × Delta V_{IN}})，同时要考虑陶瓷电容在直流偏置电压下的降额情况。在电源与设备输入距离较远的应用中，应并联一个合适的电解电容以提供必要的阻尼，防止因较长输入电源路径的电感和输入陶瓷电容引起的振荡。

2. 电感选择

选择电感时，需要确定三个关键参数：电感值（L）、电感饱和电流（(I{SAT})）和直流电阻（(R{DCR})）。电感值可根据公式(L=frac{0.45 × V{OUT}}{f{SW}})计算，应选择最接近计算值的电感，并选择低损耗、尺寸合适且直流电阻尽可能低的电感。电感的饱和电流额定值应足够高，以确保在超过(I_{PEAK - LIMIT})时才会发生饱和。

3. 输出电容选择

在工业应用中，由于X7R陶瓷输出电容在温度范围内具有稳定性，因此是首选。输出电容的大小通常要能够支持应用中最大输出电流40%的阶跃负载，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公式(C{OUT1}=frac{1}{2} × frac{I{STEP} × t{RESPONSE}}{Delta V{OUT}})计算，其中(t{RESPONSE} cong frac{0.35}{f{C}})。对于开关频率小于或等于500kHz的情况，选择(f{c})为(f{sw})的1/9；若开关频率大于500kHz，则选择(f{c})为60kHz。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可通过公式(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}}))计算，其中(I{O})小于或等于(I{PK - SFM})的一半。最终选择的输出电容应为(C{OUT1})和(C_{OUT2})中的较大值，同时要考虑陶瓷电容在直流偏置电压下的降额情况。

4. 软启动电容选择

MAX17795通过连接在SS引脚和SGND引脚之间的电容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可根据公式(C{SS} geq 33 × 10^{-6} × C{OUT - SEL} × V{OUT})计算，软启动时间(t{SS})与连接在SS引脚的电容(C{SS})的关系为(t{SS}=frac{C_{SS}}{8.33 × 10^{-6}})。例如，要设置1ms的软启动时间，应连接一个8.2nF的电容。MAX17795的最小可编程软启动时间为1ms，在启动过程中，设备在输出电压达到设定输出标称电压的95%之前以可变开关频率运行。

5. 设置输入欠压锁定电平

MAX17795的输入欠压锁定电平可通过连接在(V{IN})和SGND之间的电阻分压器来设置，将分压器的中心节点连接到EN/UVLO引脚。建议选择(R{UVL - TOP})为3.3MΩ，然后根据公式(R{UVL - BOTTOM}=frac{R{UVL - TOP} × V{ENR}}{V{INU}-V{ENR}})计算(R{UVL - BOTTOM})，其中(V{INU})是设备需要开启的电压。为避免在缓慢上电（慢于软启动）或断电时出现打嗝现象，建议(V{INU})高于0.8 x (V_{OUT})。如果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引脚之间放置一个至少1kΩ的串联电阻，以减少线路上的电压振铃。

6. 调整输出电压

可通过连接在输出电压节点（(V{OUT})）和SGND之间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。首先根据公式(R{FB - TOP}=frac{280}{f{C} × C{OUT - SEL}})计算从输出到FB引脚的电阻(R{FB - TOP})，然后根据公式(R{FB - BOT}=frac{R{FB - TOP} × 0.6}{V{OUT}-0.6})计算连接在FB引脚和SGND之间的电阻(R{FB - BOT})。当器件用于SFM模式或应用中使用动态模式切换时，需要在(R{FB - TOP})两端添加一个电容(C{FF})，电容值可根据公式(frac{550}{R{FB - TOP}}{FF}{FB - TOP}})计算，且(C_{FF})应能承受输出电压。

7. 功耗计算

在特定工作条件下，导致器件温度升高的功率损耗可通过公式(P{Loss}=P{OUT} ×(frac{1}{eta}-1)-(I{OUT}^{2} × R{DCR}))计算，其中(P{OUT}=V{OUT} × I{OUT})，(P{OUT})是输出功率，(eta)是转换器的效率，(R{DCR})是电感的直流电阻。在不使用芯片温度监测（RESET/TJ）功能时，可根据公式(T{J}=T{AMB}+(theta{JA} × P{Loss}))估算器件在任何给定最大环境温度（(T{AMB})）下的结温。需要注意的是，结温超过 + 125°C会降低器件的使用寿命。

8. PCB布局指南

PCB布局对于MAX17795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，以降低走线电感，因为电流的高di/dt特性要求电感必须保持在最低水平。同时，减小电流环路面积可降低辐射EMI。在布线时，信号接地（SGND）和用于开关电流的电源接地（PGND）应分开。此外，PCB布局还会影响设计的热性能。具体布局建议如下：

• 输入电容应尽可能靠近IN和PGND引脚。
• INTVCC电容应靠近INTVCC引脚，并将另一端连接到SGND平面。
• BST电容应靠近BST和LX引脚。
• 电感应尽可能靠近LX引脚，尽量减小LX引脚到电感的走线长度和面积。
• 输出电容应尽可能靠近电感的非开关侧。
• 输入电容和输出电容的PGND端子应尽可能靠近PGND引脚，并连接到PGND平面。
• RT电阻、SS电容和FB电阻应尽可能靠近各自的引脚，并将另一端连接到SGND平面。
• 所有电源和负载连接应尽量短，以保持电感在最低水平。
• PGND和SGND节点应在开关活动最小的点连接，即INTVCC旁路电容的负端。
• 在IN、PGND和LX引脚下方应提供多个连接到大面积平面的热过孔，以实现高效散热。

五、典型应用电路

文档中给出了多个典型应用电路，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，为工程师提供了实际设计的参考。

综上所述，MAX17795是一款功能强大、性能优异的同步降压DC - DC转换器，适用于工业、航空电子、重型设备、工厂和楼宇自动化、电机控制以及通用电源等多种应用场景。在设计过程中，工程师们需要根据具体的应用需求，合理选择外部元件，并遵循PCB布局指南，以充分发挥MAX17795的性能优势，实现高效、稳定的电源设计。大家在使用MAX17795进行设计时，有没有遇到过什么特别的问题呢？欢迎在评论区分享交流。