MAX20037/MAX20038：汽车高电流降压转换器的卓越之选

在汽车电子领域，对于高功率USB端口的需求日益增长，这就要求相关的转换器具备高性能、高可靠性和高安全性。Maxim Integrated推出的MAX20037/MAX20038汽车高电流降压转换器，正好满足了这些需求。今天，我们就来深入了解一下这款产品。

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产品概述

MAX20037/MAX20038将5V/3.5A汽车级降压转换器、USB主机充电器适配器仿真器和USB保护开关集成于一体。它有独立/GPIO和I2C两种配置和控制选项，适用于汽车收音机、导航、连接、USB集线器和专用充电等应用。

产品特性

高集成度单芯片解决方案

它能直接从汽车电池为便携式设备供电，输入电压范围为4.5V至28V，能承受40V的负载突降，输出电流能力达5V、3.5A。还具备设备连接检测输出、低Q电流跳过和关断模式等功能。

低噪声设计

采用固定频率275kHz至2.2MHz运行，有固定PWM选项，具备扩频功能以降低EMI，还有SYNC输入/输出用于频率锁定，有效防止对AM频段和便携式设备的干扰。

优化的USB电源和通信

用户可编程电压增益可针对高达600mΩ的电缆电阻调整输出，可编程USB电流限制，支持USB 480Mbps/12Mbps/1.5Mbps数据开关，集成了iPod/iPhone/iPad和三星充电检测终端电阻，支持USB BC1.2 CDP和DCP模式，符合中国YD/T 1591 - 2009标准，兼容USB On - the - Go规范。

稳健设计

具备对DC - DC转换器引脚的短路到电池保护、USB引脚的短路到VBUS（MAX20037）和短路到电池（MAX20038）保护，±15kV空气/±8kV接触的ESD保护（ISO 10605和IEC 61000 - 4 - 2），软启动可降低浪涌电流，还有过温保护，工作温度范围为 - 40°C至 + 125°C。

电气特性

电源和使能

电源电压范围为4.5V至28V，负载突降事件时电源电压范围可达40V。不同工作模式下的电源电流有所不同，如无负载跳过模式为2.3mA，无负载FPWM模式为32mA等。

USB开关

模拟信号范围为0至3.6V，保护跳闸阈值为3.65至4.1V，保护响应时间为3µs等。不同型号（MAX20037和MAX20038）在导通电阻、泄漏电流等参数上有所差异。

电流检测放大器

反馈调整增益、输出电压精度、过流阈值等都有明确的参数范围，可根据ILIM[2:0]的不同设置来调整过流阈值。

其他特性

如同步降压DC - DC转换器的PWM输出电压、负载调节、扩频范围等，振荡器的内部振荡频率、降压振荡器频率等，ADC的分辨率、偏移误差和增益误差等。

引脚配置与功能

MAX20037/MAX20038采用28引脚TQFN或SWTQFN封装，各引脚功能明确。例如，AGND为模拟地，HVD - 和HVD + 为受保护的USB差分数据输出，SHIELD为USB captive - cable屏蔽输入等。每个引脚都在整个系统中发挥着重要作用，合理的引脚布局和连接对于产品的性能至关重要。

工作原理与模式

上电和使能

• 系统使能（HVEN）：作为设备的主要使能信号，启动系统启动和配置。当HVEN为低电平时，若系统未配置为保持操作，SUPSW功耗降低，设备进入待机低静态电流状态。
• DC - DC使能（ENBUCK）：对于独立变体，由ENBUCK引脚控制降压调节器；对于I2C变体，由ENBUCK引脚和I2C接口共同控制。
• 3.3V输入（IN）：用于在HVD + 和HVD - 引脚发生ESD和短路到总线/电池事件时钳位D + 和D - 引脚，保护下游USB收发器。
• 线性调节器输出（BIAS和DRV）：BIAS是5V线性调节器的输出，为设备的内部逻辑和控制电路供电；DRV为DC - DC转换器的高低侧MOSFET驱动器供电。

降压DC - DC调节器

• 降压调节器：采用电流模式降压转换器，集成高低侧MOSFET，轻载时低侧MOSFET可实现固定频率、强制PWM（FPWM）操作。输入电压范围为4.5V至28V，无负载时仅消耗4µA（典型值）。
• 宽输入电压范围：能适应4.5V至28V的宽输入电压范围，在冷启动等情况下可工作在高占空比模式，减少输入到输出的压降。
• 最大占空比操作：最大占空比为98%（典型值），通过监测低侧FET的关断时间来调整工作状态。
• 输出电压：通过连接到SENSP的精密内部反馈网络设置DC - DC转换器的输出电压，默认输出电压为5.1V。
• 软启动：DC - DC转换器启用时，输出电压在约4ms内从0逐渐升至5.15V，减少启动时的浪涌电流。
• 复位行为：当DC - DC转换器因任何原因禁用时（除SENSN过压情况），会在SENSN上执行放电功能，并启动复位定时器。

开关频率配置与同步

• 配置方式：DC - DC开关频率可由内部振荡器或SYNC引脚的外部时钟配置，SYNC引脚可配置为输入或输出。内部振荡器频率由SETUP_2寄存器的FSW[2:0]位设置，有8个离散值可供选择，范围从275kHz到2.2MHz。
• 同步功能：当SYNC配置为输出时，禁止跳过模式操作，内部振荡器频率从SYNC引脚输出，可使其他设备与MAX20037/MAX20038同步；当SYNC配置为输入时，可用于操作模式选择和频率控制。

强制PWM（FPWM）操作

在FPWM模式下，设备在所有负载条件（包括无负载条件）下保持固定频率PWM操作。

智能跳过模式操作和设备连接检测

当SYNC引脚配置为输入且无时钟信号或高电平信号时，设备在轻载/无负载条件下进入跳过模式。当检测到设备连接到USB端口时，设备智能退出跳过模式并进入FPWM模式，同时通过ATTACH引脚或ATTACH位发出设备连接事件信号。

扩频选项

通过SETUP_1寄存器的SS_EN位启用扩频操作，内部工作频率相对于内部生成的工作频率调制±3.25%，总扩频范围为6.5%，仅在使用内部振荡器时有效。

电流限制

通过DC - DC转换器的固定内部峰值电流阈值和用户可编程的外部DC负载电流检测放大器阈值来限制USB负载电流，可根据应用需求将电流限制调整在300mA至3A之间。

输出短路保护

DC - DC转换器输出（SENSP，SENSN）对短路到地和短路到电池的情况都有保护。遇到短路到地或欠压情况时，转换器立即复位；遇到短路到电池情况时，设备停止开关操作。

热过载保护

热过载保护可限制设备的总功耗，当芯片温度超过 + 175°C时，设备关闭；温度下降15°C后重新启用。I2C变体还有预热过载警告功能，当芯片温度超过 + 145°C时，设置ERROR_1寄存器的T_WARN位。

保持模式

启用保持模式时，设备在内部定时器期间保留附件电源。定时器从HVEN变低且保持模式启用时开始，定时器到期后，设备进入低Q关断模式。

USB电流限制和输出电压调整

• 电流检测放大器：内部USB负载电流检测放大器通过检测VSENSP - VSENSN的电压来监测USB端口的DC负载电流，提供精确的DC电流限制和电压补偿功能。
• USB DC电流限制配置：I2C变体可通过SETUP_4寄存器的ILIM[2:0]位配置精确的DC电流限制；独立变体可通过CONFIG3电阻选择部分电流限制选项。
• 电压反馈调整配置：可对典型USB充电应用中高达600mΩ的USB电缆进行电压降补偿。I2C变体通过SETUP_2寄存器的GAIN[4:0]位配置；独立变体通过CONFIG2和CONFIG3电阻配置。

USB保护开关和主机充电器适配器仿真

• HVD + 和HVD - 保护：为高集成度多媒体处理器的低电压内部USB数据线提供汽车级ESD和短路保护。MAX20037需要外部ESD二极管，而MAX20038不需要。
• USB主机适配器仿真：集成了最新的USB - IF电池充电规范修订版1.2 CDP和DCP电路，以及适用于苹果兼容设备的1.0A和2.4A电阻偏置选项，还提供了与旧版三星Galaxy 1.2V分压器和中国YD/T 1591 - 2009的兼容性。
• HVD + 和HVD - 操作模式：有四种离散操作模式，I2C变体通过SETUP_3寄存器的CD[1:0]位选择；独立变体通过CDP/DCP引脚选择。

控制和诊断

• I2C配置：I2C变体可通过靠近地的CONFIG1引脚的电阻进行基本设备配置，启动时将配置参数加载到相应的I2C寄存器中。
• 独立配置：独立变体通过三个CONFIG引脚和地之间的电阻进行全设备配置，CONFIG1设置内部振荡器开关频率、SYNC引脚方向和DC - DC扩频模式；CONFIG2设置电压增益配置GAIN[3:0]的四个LSB；CONFIG3设置USB DC电流限制、启用/禁用保持模式功能并设置电压增益配置GAIN[4]的MSB。
• 故障检测和I2C诊断：具备先进的设备保护功能，自动处理和恢复故障。I2C变体的ERROR_1/ERROR_2寄存器提供故障源的详细信息，IRQMASK_0/IRQMASK_1寄存器可选择I2C中断引脚（INT）的断言标准。
• 故障输出引脚（FAULT）：为开漏、低电平有效输出，采用内部消毛刺和故障消隐定时器，避免误报故障，可直接连接到集线器控制器或SoC的过流故障输入。
• 连接输出引脚（ATTACH）：对于独立变体，作为连接检测引脚；对于I2C变体，作为中断引脚。
• I2C诊断和事件处理：I2C变体的基于I2C的诊断功能独立于FAULT引脚，IRQMASK寄存器功能仅影响INT引脚与相应ERROR寄存器位的行为。
• I2C输出电压和电流测量：I2C变体可测量瞬时SENSP电压和DC输出电流，通过设置SETUP_4寄存器的IV_READ位启动测量，测量完成后可从USB_V和USB_I寄存器读取结果。
• I2C接口规范：采用I2C 2线串行接口，由SDA和SCL线组成，时钟速率最高可达400kHz。主设备通过发送正确的地址和数据字与设备通信，每个传输序列由START或Repeated START条件和STOP条件框定。

应用信息

DC - DC开关频率配置和同步

I2C变体可通过SETUP_2寄存器进行数字编程开关频率；独立版本可通过CONFIG1电阻选择频率。设备可通过SYNC引脚与其他设备同步，也可将SYNC引脚配置为输出内部时钟。选择开关频率时需考虑效率、组件选择、热性能和EMI等因素，不建议在500kHz至1.8MHz之间操作以避免AM频段干扰。

DC - DC输入电容选择

输入电容可降低从上游电源吸取的峰值电流，其RMS电流要求由公式 (I{RMS }=I{LOAD(MAX) } frac{sqrt{V{SENSP }left(V{SUPSW }-V{SENSP }right)}}{V{SUPPSW }}) 定义，选择时应确保在RMS电流下自热温度上升小于10°C。输入电压纹波可通过相关公式估算，建议使用低ESR陶瓷电容。

DC - DC输出电容选择

最小所需输出电容取决于最大工作输出电压、最大设备电流能力和误差放大器电压增益。为确保稳定性和符合USB和苹果规范，应遵循推荐的输出滤波器，根据不同的开关频率选择合适的电容组合。

DC - DC电感选择

选择电感时需考虑电感值（L）、饱和电流（ISAT）和直流电阻（RDCR）。可先选择电感峰 - 峰交流电流与直流平均电流的比率（LIR），一般选择35%的LIR作为折衷方案，再根据公式 (L=frac{V{SENSP } timesleft(V{SUPSW }-V{SENSP }right)}{V{SUPSW } × f{SW } × I{OUT } × LIR }) 确定电感值。同时要确保电感的ISAT在所有工作条件下都远高于降压转换器的逐周期峰值电流限制。

布局考虑

合理的PCB布局对系统性能至关重要。应尽量减小DC - DC转换电路的电流环路面积和寄生参数以降低EMI，将输入电容、功率电感和输出电容尽可能靠近IC放置，优先选择较短的走线。输入和输出电容之间需要低阻抗接地连接，将暴露焊盘连接到地，并在焊盘上放置多个过孔以连接到其他接地层。USB走线应作为90Ω差分对布线，避免靠近时钟和高频开关节点，尽量减少走线长度、90°转弯、过多过孔和RF短截线。

确定USB系统要求

需要从电缆制造商处确定USB电源线（BUS）和返回地（GND）的标称电缆电阻（含公差），并考虑温度对电阻的影响。典型应用中，当负载电流为2A时， captive电缆远端的电压降为800mV，此时需要IC的电压调整电路增加输出电压以符合USB和苹果规范。

USB负载

该IC兼容USB合规和非合规负载。合规USB设备初始连接到端口时，吸收电流不超过30mA，电容不超过10µF；完成连接过程后，可拉取100mA/150mA电流，电容不超过10µF。对于非合规USB负载，IC也能支持热插入和软启动到2Ω||330µF的USB负载。

USB输出电流限制

通过内部电流检测放大器监测RSENSE两端的电压来监控USB负载电流，IC提供数字可调的USB电流限制阈值，可根据需要选择合适的寄存器或电阻值。

USB电压调整

DC - DC输出电压随RSENSE两端电压的增加而线性增加，增益由GAIN[4:0]寄存器值决定。理想的增益位权重可通过公式 (GAIN =R{CABLE }+RSENSE +R{PCB}+R_{LR}) 计算，选择最接近理想增益的寄存器设置。当VSENSE超过阈值时，设备有最大允许电压调整量，超过该阈值后，输出电压将根据负载调节规范下降。

选择电流检测电阻

外部电流检测电阻（RSENSE）对于精确的电流限制、电压调整、连接检测和ADC测量至关重要。建议使用精确值为33mΩ的电阻，因为改变该值会影响电流限制阈值、电压调整补偿和连接阈值，需要相应调整寄存器和电阻表中的规格。

远程电缆感应（屏蔽功能）

IC能够根据电缆电阻自动设置所需的电压调整，可通过将电缆屏蔽连接到远程地，再连接到IC的SHIELD引脚，或使用额外的SENSE线连接到远程地来实现。使用屏蔽功能时，需要通过GAIN[4:0]寄存器设置额外的电压调整，理想的GAIN位权重应补偿降压转换器的负载调节、PCB电阻以及电缆VBUS和GND电阻的差异。SHIELD引脚信号需要进行带宽限制，若需要超过绝对最大额定值的过压保护，应使用外部钳位。

调谐USB数据线

USB HS模式需要精心的PCB布局，采用90Ω受控差分阻抗匹配的等长走线，无短截线或测试点。对于低电压、高带宽的MAX20037变体，调谐组件可能不是必需的；但对于高电压的MAX20038变体，建议在PCB设计中包含允许安装LC组件的焊盘，以便后续进行调谐。调谐组件应尽可能靠近设备的数据引脚，放置在与设备同一层的PCB上。

USB数据线共模扼流圈放置

大多数汽车应用使用USB优化的共模扼流圈来减轻进出模块的EMI信号，最佳放置位置是模块的USB连接器处，但它不能替代前面提到的调谐电感。

ESD保护

高电压的MAX20038变体不需要外部ESD保护，而低电压的MAX20037变体需要外部ESD保护二极管。所有Maxim设备都集成了ESD保护结构，能在ESD事件后继续正常工作，避免闩锁。在典型工作电路配置下，IC的ESD保护能力可达±15kV ISO 10605空气间隙、±8kV ISO