MAX38802/MAX38803：集成式降压开关稳压器的卓越之选

在电子设计领域，电源管理是一个至关重要的环节。今天，我们要深入探讨的是 Maxim 推出的 MAX38802/MAX38803 集成式降压开关稳压器，它为众多应用提供了高效、灵活且可靠的电源解决方案。

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一、产品概述

MAX38802/MAX38803 是完全集成的高效开关稳压器，适用于输入电源为 6.5V 至 14V、最大负载高达 25A 的应用。这两款单芯片稳压器为需要快速瞬态响应的精密输出提供了紧凑、高效的电源传输解决方案。它们具有不同的可编程选项，包括内部/外部参考电压、输出电压设定点、开关频率、过流保护水平（OCP）和软启动时序等，还可通过引脚绑定启用不连续电流模式（DCM）以提高轻载效率。

1.1 应用领域

• 服务器/微服务器：为 I/O 和芯片组供电。
• GPU 核心供电：满足高性能图形处理单元的电源需求。
• DDR 内存：为 VDDQ、VPP 和 VTT 负载点（PoL）应用提供稳定电源。

1.2 产品特性与优势

• 高效解决方案：峰值效率高达 97%，满载效率高达 87%，启用 DCM 时 1A 轻载效率高达 96%。
• 灵活设计：引脚兼容 MAX38800（9A）和 MAX38801（15A），可编程开关频率高达 1MHz，可编程软启动和 STAT 延迟时序，可编程参考电压并支持外部输入选项，可编程正、负 OCP 限制。
• 先进架构、保护与报告：模拟电流或温度报告，差分远程感测并具备开路检测功能，采用 Quick - PWM™ 架构实现快速瞬态响应，基于百分比的输出电源良好和过压保护（OVP），开漏状态指示（STAT）引脚，输入欠压和过压锁定，自适应死区时间控制。
• 节省电路板空间：集成升压开关，采用 27 凸点（2.2mm x 3.8mm）WLCSP 封装，可使用陶瓷输入和输出电容器。

二、电气特性

2.1 电源电压与电流

• 12V 电源电压范围：6.5V 至 14V。
• 1.8V 电源电压范围：1.71V 至 1.89V。
• VCC 电源电流：CCM 模式下最大 35mA，DCM 模式下 25mA，关断模式下 32μA 至 132μA。

2.2 参考电压

可编程参考电压为 0.6V 或 0.95V，VREF 容差在 35°C 时为 - 0.5% 至 + 0.5%，VREF 容差温度系数在 0°C 至 100°C 时为 0.0106%/°C。

2.3 反馈环路与开关频率

• RSENSE 增益：有 1.4mV/A、2.8mV/A 和 5.4mV/A 可选。
• 开关频率精度：相对于标称值在 - 20% 至 + 20% 范围内。
• 低开关频率阈值（DCM 启用）：30kHz。
• 强制最小开关频率（DCM 启用）：60kHz。

2.4 输入保护

• VDDH 欠压锁定（UVLO）阈值：上升阈值为 5.8V 至 6.5V，下降阈值为 5.1V 至 5.9V，滞回为 650mV。
• VDDH 过压锁定（OVLO）阈值：上升阈值为 14.3V 至 15.3V，下降阈值为 13.8V 至 14.8V，滞回为 470mV。
• VCC 和 BST 的 UVLO 阈值及滞回：也有相应规定。

2.5 输出电压保护（OVP）

过压保护上升阈值相对于编程输出电压为 9.5% 至 16.5%，过压保护消抖滤波时间为 25μs 至 36μs，电源良好保护下降阈值为 4.5% 至 12%，上升阈值为 3% 至 9%，电源良好消抖滤波时间为 25μs 至 36μs。

2.6 过流保护（OCP）

正、负过流保护阈值有多个可选值，过流保护阈值容差为 - 20% 至 20%，正电流 OCP 滞回为 12% 至 18%，负电流 OCP 滞回为 0。

2.7 过温保护（OTP）

过温保护启动阈值为 130°C 至 150°C，滞回为 - 30°C 至 - 10°C。

2.8 温度与电流报告

温度报告范围为 0°C 至 125°C，温度报告容差为 - 4°C 至 4°C；电流报告范围为 0A 至 25A，电流报告容差在空载至满载时为 - 2A 至 2A，满载时为 - 8% 至 8%。

三、典型工作特性

3.1 输出电流与环境温度关系

通过多组曲线展示了不同输出电压（如 0.8V、1.2V、1.8V、5.0V 等）下，输出电流随环境温度的变化情况，同时考虑了不同的风量（0LFM、200LFM、400LFM）和是否使用散热片的情况。这有助于工程师在不同的应用场景下评估稳压器的性能。

3.2 安全工作区（SOA）

给出了不同条件下（如不同风量、是否使用散热片）的安全工作区曲线，直观地展示了稳压器在不同环境温度和输出电流下的安全工作范围，为设计人员提供了重要的参考依据。

3.3 效率与负载电流关系

展示了不同输出电压下，效率随负载电流的变化曲线，包括 DCM 启用和禁用两种情况。这有助于工程师根据实际负载需求选择合适的工作模式，以提高电源效率。

3.4 功率损耗与负载电流关系

同样给出了不同输出电压下，功率损耗随负载电流的变化曲线，帮助工程师评估稳压器在不同负载下的功耗情况。

3.5 启动与关断特性

通过波形图展示了在不同条件下（如 OE 信号、VDDH、VCC 等）的启动和关断过程，包括输出电压、STAT 信号、VX 信号等的变化情况，方便工程师了解稳压器的动态响应特性。

3.6 负载瞬态响应

展示了在 CCM 和 DCM 模式下的负载瞬态响应波形，包括负载阶跃和卸载时的输出电压、电感电流等的变化情况，体现了稳压器在快速负载变化时的响应能力。

3.7 过流保护特性

通过波形图展示了正、负过流保护时的输出电压、STAT 信号和电感电流的变化情况，确保了稳压器在过流情况下的安全运行。

四、引脚配置与描述

4.1 引脚配置

MAX38802/MAX38803 采用 27 凸点 WLCSP 封装，引脚布局经过精心设计，以满足不同的功能需求。

4.2 引脚描述

• SENSE -：负远程感测/外部参考输入，可连接到负载地或外部参考电压。
• AGND：模拟/信号地，需连接到接地平面。
• STAT：开漏状态输出，低电平表示故障或输出欠压、过压事件。
• PGM：编程输入/遥测输出，通过连接编程电阻和电容来确定稳压器的设置。
• SENSE +：正远程感测输入，连接到负载的 VOUT。
• OE：输出使能输入，通过 20kΩ 电阻连接到使能信号，可清除故障保护锁存。
• VCC：电源电压输入，为稳压器的模拟、数字和栅极驱动电路供电，需用 1μF 或更大的陶瓷电容旁路到电源地。
• VDDH：电源输入电压，需连接到输入电源，附近需放置高频陶瓷去耦电容。
• BST：自举电源输入，需在 BST 和 VX 之间连接 0.47μF 陶瓷电容。
• VX：开关节点，连接到功率电感的开关节点。
• GND：功率地，连接到输出负载的返回路径。

五、控制架构与工作原理

5.1 控制架构

MAX38802/MAX38803 采用 Maxim 专有的 Quick - PWM 脉冲宽度调制器，是一种伪固定频率、恒定导通时间、电流模式稳压器，具有电压前馈功能。这种架构专门设计用于处理快速负载阶跃，同时在宽输入电压范围内保持相对恒定的工作频率和电感工作点，避免了传统固定频率电流模式 PWM 的负载瞬态计时问题和传统恒定导通时间脉冲频率调制控制方案中开关频率变化过大的问题。

5.2 控制算法

高侧开关导通时间由一个单稳态触发器决定，其脉冲宽度与输入电压成反比，与输出电压成正比。另一个单稳态触发器设置最小关断时间为 100ns（典型值）。在正常工作条件下，当反馈电压和谷值电流感测信号之和低于控制电压，且最小关断时间单稳态触发器超时后，导通时间单稳态触发器被触发，tON 脉冲宽度最大限制为 2.5μs。

5.3 电压调节器启用与启动顺序

当 OE 引脚上升到 VOE(H) 阈值以上时，控制电路等待 300μs 的 tEN 时间，让偏置电路、模拟模块和其他电路稳定到合适状态后开始调节。OE 引脚电压额定值为 1.8V，对于高于 1.8V 的控制信号，需使用电阻分压器网络驱动 OE 引脚。当 VCC 低于 UVLO 时，OE 引脚阻抗降低，需使用电阻限制电流。当系统将 OE 拉低时，稳压器进入低功耗关断模式，STAT 立即拉低，电感放电，功率 FET 进入高阻抗状态。

5.4 软启动控制

当 OE 达到阈值且 tEN 时间过去后，稳压器进行自举电容充电序列。自举电容充满电后，内部参考电压以适当的软启动时间（tSS）斜坡上升到目标电压。软启动时间和目标电压均可编程。如果输出电压已预偏置，参考电压需上升到 SENSE + 节点电压以上才开始调节。在 tSS 结束时，如果 SENSE + 引脚电压仍高于内部参考，将强制连续导通模式（CCM）一段时间（tSETTLE）以将输出放电到期望电压，之后如果选择了不连续导通模式（DCM），则允许进入 DCM 模式，OVP/UVP 电路也将激活。

5.5 远程输出电压感测

通过使用 SENSE - 节点作为内部电压参考 VREF 的参考，实现远程输出电压感测，可提高负载处的输出电压调节精度，减少负载与稳压器之间平面阻抗引起的电压降误差。

5.6 开关操作模式

支持 CCM 和 DCM 两种模式，可通过编程选择。如果启用 DCM，在轻载时稳压器将无缝过渡到 DCM 模式以提高效率。当负载使得在约 33μs 内未产生 tON 脉冲时，低侧 FET 导通，直到误差比较器换向并发出 tON 脉冲。进入最小频率模式后，IC 以 60kHz 的最小开关频率运行，以提供适当的滞回并防止 IC 在该模式内外频繁切换。

六、保护与状态特性

6.1 输出电压保护（OVP）

持续监测 SENSE + 引脚的欠压和过压情况。如果输出电压低于 PWRGD 阈值（编程输出电压的 9%）超过 30μs（典型值），STAT 引脚拉低，稳压器继续尝试维持调节；如果输出电压高于过压保护阈值（编程输出电压的 13%）超过 30μs（典型值），STAT 引脚拉低，稳压器锁存关闭（高侧和低侧 FET 关闭），需切换 OE 或循环 VCC 电源来清除故障。

6.2 电流限制

通过选择合适的 R_SEL 值可对电流限制进行编程。过流保护（OCP）逐周期监测和限制低侧 FET 电流。当低侧开关电流的最小瞬时“谷值”超过 OCP（源）水平时，IC 延迟下一个导通时间脉冲，直到电流降至阈值以下。在正电流限制事件中，输出电压下降，若达到 PWRGD 阈值，STAT 引脚拉低。此外，还有负 OCP 限制，当达到该阈值时，IC 发出导通时间脉冲限制负电流，但可能导致过压保护事件。

6.3 UVLO 和 OVLO 保护

稳压器通过欠压锁定（UVLO）和过压锁定（OVLO）电路监测 VDDH、BST 和 VCC 电源。当任何电源电压低于 UVLO 阈值或 VDDH 高于 OVLO 阈值时，稳压器停止开关，STAT 引脚拉低。

6.4 过温保护（OTP）

如果芯片温度在运行过程中超过过温阈值，稳压器停止调节，STAT 引脚拉低。当芯片温度降至新的过温阈值（过温阈值 - 滞回）以下时，调节重新开始，当输出电压达到预期值时，STAT 引脚最终再次变高。

6.5 稳压器状态

STAT 信号提供开漏输出（最大 4V），用于指示稳压器是否正常工作，需要外部上拉电阻。启动斜坡完成（tSTAT）后，如果输出电压在 PWRGD/OVP 调节窗口内，STAT 引脚变为高阻抗。当出现 OE 为低、VDDH 或 VCC 不在规定范围内、PWRGD 故障、SENSE - 或 SENSE + 引脚未连接、芯片温度超过最大允许温度、OVP 电路检测到输出电压超出容差限制、自举电源（BST - VX）检测到 UVLO 等情况时，STAT 引脚拉低。

6.6 电流/温度报告

在调节过程中，PGM 引脚产生模拟电压，可表示平均输出电流或芯片温度。PGM 引脚输出电压范围为 0.5V 至 1V，可驱动 R_SEL/C_SEL 网络和额外的 20pF 外部负载，方便连接到外部电路，如电压缓冲器或 ADC。通过特定的转换方程可将 PGM 引脚电压转换为温度或电流值。

七、编程选项

MAX38802/MAX38803 允许对多个关键参数进行编程，以优化特定应用。可编程参数包括参考电压（VREF）、软启动时间、OCP 启动值、操作模式、报告参数、RSENSE 增益、开关频率（fsw）和 tSTAT 时间延迟等。通过连接到编程引脚的电阻和电容选择一组参数，不同的电阻和电容值对应不同的参数设置，具体可参考表 3a 和 3b。C_SEL 用于选择 fSW 设置，有六个选项可供选择，实际的 fSW 值还与 VOUT 有关，可参考图 4 选择合适的 fSW 设置。

八、输出电压设置

输出电压通过选择参考电压并使用适当的电阻分压器来设置。参考电压可通过 R_SEL 选择，可为内部或外部参考。为提高直流输出电压精度，应选择合适的 VREF 值，如 0.6V 适用于 0.6V ≤ VOUT < 0.95V，0.95V 适用于 0.95V ≤ VOUT < 5.5V。为优化误差放大器的共模抑制，应选择使电阻分压器并联电阻尽可能接近 2kΩ 的电阻值。电阻选择会影响输出电压精度，需考虑电阻公差和温度系数的影响。此外，还可通过改变有效反馈分压器比率实现电压裕度调节，但需注意避免触发 OVP 或 UVP 故障。

九、控制环路

MAX38802/MAX38803 使用 Quick PWM 架构，将电流感测信号添加到反馈中。在没有额外补偿的情况下，电压环路增益由 IC 的电流模式控制方案的有效跨导增益、输出电容器的阻抗增益和反馈分压器的衰减组成。为保证稳定性，COUT 应选择使带宽（BW）小于 fSW/3。可使用超前、滞后和斜坡注入等补偿方案来减小 COUT，但这些补偿会影响系统的瞬态性能，需在设计分析中考虑。此外，IC 内部的积分器可改善负载调节，不影响环路 BW。

十、元件选择

10.1 电感选择

电感值根据开关