高效小体积：MAX17640同步降压DC - DC转换器深度剖析

在电子设计领域，电源管理芯片的性能和特性对整个系统的稳定性、效率和体积起着关键作用。今天，我们就来深入探讨一下Analog Devices推出的MAX17640，一款60V、400mA的超小型、高效同步降压DC - DC转换器。

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一、产品概述

MAX17640属于Himalaya系列，该系列的电压调节器IC、电源模块和充电器能够实现更凉爽、更小巧、更简单的电源解决方案。MAX17640系列产品具有高效、高压的特点，集成了MOSFET，输入电压范围宽达4.5V至60V，可提供高达400mA的输出电流，输出电压范围为0.9V至0.89 x VIN。其中，MAX17640A固定输出3.3V，MAX17640B固定输出5.0V，MAX17640C输出电压可调。该系列转换器采用紧凑的8引脚TDFN（2mm x 2mm）封装，非常适合对空间要求较高的应用。

二、关键特性与优势

2.1 减少外部组件与成本

• 无肖特基同步操作：实现了高效且降低了成本。
• 内部补偿：简化了设计过程，无需额外的补偿电路。
• 内部反馈分压器：针对固定的3.3V和5V输出电压，减少了外部元件的使用。
• 内部软启动：降低了输入浪涌电流，保护了电路。
• 全陶瓷电容，超紧凑布局：进一步减小了电路板的面积。

2.2 灵活支持多轨系统

• 宽输入电压范围：4.5V至60V的输入电压范围，适应多种电源环境。
• 多种输出电压选项：提供固定的3.3V和5V输出电压，以及可调的0.9V至0.89 x VIN输出电压。
• 大负载电流能力：可提供高达400mA的负载电流。
• 可配置工作模式：可在PFM和强制PWM模式之间进行配置。

2.3 降低功耗

• 高转换效率：峰值效率可达92%。
• PFM模式：在轻负载时具有更高的效率，降低了功耗。
• 低关断电流：典型关断电流仅为2.2µA。

2.4 工业环境可靠性

• 打嗝模式电流限制和自动重试启动：在过载和短路情况下保护设备。
• 内置输出电压监控：通过开漏RESET引脚实现。
• 可编程EN/UVLO阈值：可根据需要设置输入欠压锁定阈值。
• 预偏置输出启动：能够在预偏置输出的情况下实现软启动。
• 过温保护：当结温超过166°C时，自动关闭设备。
• 宽温度范围：环境工作温度范围为 - 40°C至 + 125°C，结温范围为 - 40°C至 + 150°C。
• 电磁兼容性：符合CISPR32（EN55032）Class B传导和辐射发射标准。

三、电气特性

3.1 输入电源

输入电压范围为4.5V至60V，输入关断电流典型值为2.2µA。在不同工作模式下，输入电源电流也有所不同，如PFM模式下典型值为95µA，PWM模式下典型值为2.5mA。

3.2 使能/欠压锁定（EN/UVLO）

EN/UVLO引脚用于控制设备的开启和关闭，其上升阈值典型值为1.215V，下降阈值典型值为1.09V。

3.3 LDO（VCC）

VCC输出电压范围为4.75V至5.25V，电流限制典型值为30mA，压降典型值为0.15V。

3.4 功率MOSFET

高侧pMOS导通电阻在TA = +25ºC时典型值为1.75Ω，低侧nMOS导通电阻在TA = +25ºC时典型值为0.6Ω。

3.5 软启动

软启动时间典型值为4.1ms，可实现输出电压的平滑上升。

3.6 反馈（FB）

FB调节电压在不同模式下有所不同，如MODE = GND时，MAX17640C的FB调节电压典型值为0.9V。

3.7 输出电压

不同型号的输出电压调节范围不同，如MAX17640A的输出电压调节范围为3.25V至3.42V。

3.8 电流限制

峰值电流限制阈值典型值为0.62A，失控电流限制阈值典型值为0.75A，负电流限制阈值在不同模式下有所不同。

3.9 定时

开关频率典型值为500kHz，过失控电流限制后进入打嗝模式的事件数为1个周期。

3.10 复位（RESET）

当输出电压下降到设定标称调节电压的92%以下时，RESET引脚拉低；当输出电压上升到其调节值的95%以上2ms后，RESET引脚变为高阻抗。

3.11 模式（MODE）

MODE引脚用于选择PFM或PWM模式，内部上拉电阻典型值为500kΩ。

3.12 热关断

热关断阈值典型值为166°C，热关断迟滞典型值为10°C。

四、工作模式

4.1 PWM模式

在PWM模式下，电感电流允许为负，适用于对频率敏感的应用，可提供固定的开关频率。但在轻负载时，PWM模式的效率低于PFM模式。

4.2 PFM模式

PFM模式禁止负电感电流，并在轻负载时跳过脉冲以提高效率。当输出电压达到标称电压的102.3%时，高侧和低侧FET关闭，设备进入休眠状态；当输出电压下降到标称电压的101.1%时，设备恢复工作。当负载电流超过90mA（典型值）时，设备自然退出PFM模式。

五、应用信息

5.1 电感选择

应选择具有尽可能低直流电阻的低损耗电感，其饱和电流必须足够高，以确保在最大电流限制值以下不会发生饱和。对于给定的应用，所需的电感值可根据公式 (L = 13 × V_{OUT}) 计算。常见的电感选择如下表所示：	输入电压范围VIN (V)	输出电压VOUT (V)	输出电流IOUT (mA)	电感L (µH)	推荐型号
5 - 48	3.3 (固定)	400	47	Wurth 74404054470
7 - 60	5 (固定)	400	68	Wurth 74404054680
4.5 - 24	1.8	400	22	Coilcraft LPS4018 - 223MR
4.5 - 36	2.5	400	33	Coilcraft LPS4018 - 333MR
15 - 60	12	400	150	Wurth 74404054151
18.5 - 60	15	400	150	Wurth 74404054151

5.2 输入电容

输入滤波电容用于减少从电源汲取的峰值电流，降低电路开关引起的输入噪声和电压纹波。输入电容的RMS电流要求可根据公式 (I{RMS }=I{OUT(MAX) } × frac{sqrt{left(V{OUT } timesleft(V{IN }-V{OUT }right)right.}}{V{IN }}) 计算。应选择在RMS输入电流下温度上升小于 + 10°C的输入电容，推荐使用低ESR、高纹波电流能力的陶瓷电容，如X7R电容。输入电容值可根据公式 (C{IN}=I{OUT(MAX) } × D × frac{(1-D)}{eta × f{SW} × Delta V{IN}}) 计算。

5.3 输出电容

小陶瓷X7R级电容足以满足该设备的需求。输出电容的主要作用是过滤设备产生的方波，存储足够的能量以支持负载瞬态条件下的输出电压，并稳定设备的内部控制环路。所需的输出电容值可根据公式 (C{OUT }=frac{60}{V{OUT }}) 计算。在选择输出电容时，需要考虑陶瓷电容的直流电压降额。常见的输出电容选择如下表所示：	输入电压范围VIN (V)	输出电压VOUT (V)	输出电流IOUT (mA)	输出电容COUT (µF)	推荐型号
5 - 48	3.3 (固定)	400	22µF/1206/X7R/6.3V	Murata GRM31CR70J226KE19
7 - 60	5 (固定)	400	22µF/1206/X7R/6.3V	Murata GRM31CR70J226KE19
4.5 - 24	1.8	400	47µF/1210/X7R/6.3V	Murata GRM32ER70J476KE20
4.5 - 36	2.5	400	22µF/1210/X7R/16V	Murata GRM32ER71C226KEA8
15 - 60	12	400	22µF/1210/X7R/16V	Murata GRM32ER71C226KEA8
18.5 - 60	15	400	10µF/1206/X7R/25V	Murata GRM31CR71E106KA12

5.4 设置输入欠压锁定电平

可通过连接从VIN到GND的电阻分压器来设置设备开启的电压。选择R1最大值为3.32MΩ，然后根据公式 (R 2=frac{R 1 × 1.215}{left(V{INU }-1.215right)}) 计算R2，其中 (V{INU}) 是设备需要开启的电压。

5.5 调整输出电压

MAX17640C的输出电压可在0.9V至0.89 x VIN之间进行编程。对于输出电压小于6V的情况，选择R4在50kΩ至150kΩ范围内；对于输出电压大于6V的情况，选择R4在25kΩ至75kΩ范围内，并根据公式 (R 3=R 4 timesleft[frac{V_{OUT }}{0.9}-1right]) 计算R3。

5.6 功率耗散

在特定的工作条件下，导致器件温度上升的功率损耗可根据公式 (P{LOSS }=left(P{OUT } timesleft(frac{1}{eta}-1right)right)-left(I{OUT }^{2} × R{D C R}right)) 估算，其中 (P{OUT }=V{OUT } × I{OUT }) 。器件的结温可根据公式 (T{J}=T{A}+left(theta{JA} × P{LOSS}right)) 估算，其中 (theta{JA}) 是封装的结到环境的热阻抗。需要注意的是，结温超过 + 125°C会降低器件的使用寿命。

5.7 PCB布局指南

• 输入陶瓷电容应尽可能靠近VIN和GND引脚。
• VCC旁路电容的负极应通过最短的走线或接地平面连接到GND引脚。
• 最小化LX引脚和电感连接形成的面积，以减少辐射EMI。
• VCC去耦电容应尽可能靠近VCC引脚。
• 确保所有反馈连接短而直接。
• 高速开关节点（LX）应远离FB/VOUT、RESET和MODE引脚。

六、典型应用电路

MAX17640提供了多种典型应用电路，包括3.3V、400mA降压调节器，5V、400mA降压调节器，2.5V、400mA降压调节器，12V、400mA降压调节器，1.8V、400mA降压调节器和15V、400mA降压调节器等。这些电路可根据实际需求进行选择和设计。

七、总结

MAX17640是一款性能出色的同步降压DC - DC转换器，具有高效、小体积、宽输入电压范围等优点，适用于工业传感器、4 - 20mA电流环路、HVAC和建筑控制等多种应用场景。在设计过程中，需要根据具体需求合理选择电感、电容等元件，并注意PCB布局，以确保设备的稳定运行。你在使用MAX17640的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。