MAX20037/MAX20038：汽车级高电流降压转换器的卓越之选

在当今的汽车电子领域，对于高性能、高可靠性的电源管理解决方案的需求日益增长。Analog Devices推出的MAX20037/MAX20038系列汽车级高电流降压转换器，集成了USB保护和主机充电器适配器仿真功能，为汽车USB主机应用提供了一站式解决方案。下面，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3.5A（MAX20038A为1.5A）的汽车级降压转换器、USB主机充电器适配器仿真器和USB保护开关集成于一体。该系列还包含USB负载电流检测放大器和可配置的反馈调整电路，能自动补偿汽车应用中常见的固定电缆电压降。此外，它还允许通过外部编程电阻和/或内部I2C寄存器进行灵活配置，适用于独立和受监控应用。

关键特性与优势

单芯片解决方案

• 宽输入电压范围：支持4.5V至28V的输入电压，能承受40V的负载突降，可直接连接汽车电池为便携式设备供电。
• 高输出电流能力：具备5V、3.5A的输出电流能力（MAX20038A为5V、1.5A），满足多种设备的供电需求。
• 设备连接检测输出：方便系统监测设备连接状态。
• 低功耗模式：具有低Q电流跳过和关断模式，降低功耗。

低噪声特性

• 宽频率范围：支持275kHz至2.2MHz的固定频率操作，可根据应用需求优化效率、噪声和电路板空间。
• 固定PWM选项：在无负载时提供固定PWM选项，减少噪声干扰。
• 扩频功能：采用扩频技术降低EMI，避免对AM频段和便携式设备产生干扰。
• 同步输入/输出：支持频率锁定，方便与其他设备同步。

优化的USB电源和通信

• 电压增益可调：用户可通过编程调整电压增益，补偿高达600mΩ的电缆电阻，确保便携式设备获得稳定的电源。
• USB电流限制：支持用户可编程的USB电流限制，保护设备安全。
• 高速数据开关：支持USB 480Mbps/12Mbps/1.5Mbps数据开关，满足不同数据传输速率的需求。
• 多标准支持：集成iPod/iPhone/iPad和Samsung充电检测终端电阻，支持USB BC1.2 CDP和DCP模式，以及中国YD/T 1591 - 2009标准，兼容USB On - the - Go规范。

稳健设计

• 短路保护：具备DC - DC转换器引脚的短路到电池保护、USB引脚的短路到VBUS保护（MAX20037）和短路到电池保护（MAX20038）。
• ESD保护：符合±15kV空气/±8kV接触的ISO 10605和IEC 61000 - 4 - 2标准，有效防止静电放电损坏。
• 软启动功能：采用软启动技术，减少浪涌电流，保护设备。
• 过温保护：具备过温保护功能，确保设备在高温环境下正常工作。
• 宽工作温度范围：可在 - 40°C至 + 125°C的温度范围内正常工作，适应恶劣的汽车环境。

电气特性

电源和使能

• 电源电压范围：4.5V至28V，能承受40V的负载突降。
• 电源电流：在不同工作模式下，电源电流表现良好，如无负载跳过模式下为2.3mA，无负载FPWM模式下为32mA，待机模式下低至4µA。
• BIAS电压：在5.75V ≤ VSUPSW ≤ 28V时，BIAS电压为4.75V至5.25V。

USB开关

• 模拟信号范围：通过RON测量保证0至3.6V的模拟信号范围。
• 保护阈值：保护触发阈值为3.65V至4.1V，响应时间为3µs。
• 导通电阻：不同型号的导通电阻有所差异，如MAX20037的导通电阻为2.5至4Ω，MAX20038为4至8Ω。

电流检测放大器

• 反馈调整增益：VSENSP - VSENSN = 80mV时，反馈调整增益为19.4V/V。
• 过流阈值：可通过ILIM[2:0]位进行配置，提供多种过流阈值选项。

同步降压DC - DC转换器

• PWM输出电压：在8V < VSUPSW ≤ 18V且无负载时，PWM输出电压为5.1V。
• 开关频率：可通过内部振荡器或外部时钟进行配置，支持275kHz至2.2MHz的开关频率。
• 电流限制：具备固定的内部峰值电流阈值和用户可编程的外部USB负载电流检测放大器阈值，确保USB负载电流在安全范围内。

应用电路与设计考虑

典型工作电路

MAX20037/MAX20038的典型工作电路展示了其在汽车USB主机应用中的连接方式。电路中包含了必要的电容、电阻和电感等元件，以确保转换器的稳定工作。例如，在SUPSW引脚需要连接10µF陶瓷电容和0.1µF电容，以减少电源纹波；在BIAS引脚需要连接1µF陶瓷电容，为内部电路提供稳定的电源。

电源上电顺序

正确的电源上电顺序对于设备的正常工作至关重要。在MAX20037/MAX20038中，IN引脚必须在HVEN引脚之前或同时设置为3.3V，以确保USB通信正常。如果在连接USB设备的情况下，在HVEN引脚之后为IN引脚供电，可能会导致USB通信失败。

降压DC - DC调节器

• 宽输入电压范围：该调节器支持4.5V至28V的输入电压，在冷启动等情况下，能以高占空比模式工作，确保输出电压稳定。
• 最大占空比操作：最大占空比可达98%（典型值），通过监测低侧FET的关断时间，确保在不同输入电压和负载条件下的稳定工作。
• 输出电压设置：通过连接到SENSP的精密内部反馈网络，可将DC - DC转换器的输出电压设置为5.1V（默认值）。
• 软启动功能：在DC - DC转换器启用时，输出电压从0逐渐上升到5.15V，约需4ms，有效减少启动时的浪涌电流。
• 重置行为：当DC - DC转换器因任何原因禁用时（除SENSN过压情况外），会对SENSN进行放电，并启动重置定时器，确保与USB规范兼容。
• 开关频率配置：可通过内部振荡器或外部时钟在SYNC引脚进行配置，支持275kHz至2.2MHz的离散频率值。
• 开关频率同步：当SYNC引脚配置为输出时，可禁止跳过模式操作，并将内部振荡器频率输出，使其他设备与之同步；当配置为输入时，可用于选择操作模式和控制频率。
• 强制PWM操作：在FPWM模式下，设备在所有负载条件下保持固定频率的PWM操作，包括无负载情况。
• 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逻辑高电平时，设备在轻负载/无负载条件下进入跳过模式。当检测到设备连接时，自动切换到FPWM模式，减少EMI干扰。
• 扩频选项：通过SETUP_1寄存器的SS_EN位启用扩频操作，可将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%，提高EMI性能。
• 电流限制：通过固定的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限制USB负载电流，保护DC - DC转换器。
• 输出短路保护：DC - DC转换器输出（SENSP、SENSN）具备短路到地和短路到电池的保护功能，遇到短路情况时会立即重置，并尝试重新启动。
• 热过载保护：通过热保护电路监测芯片温度，当温度超过 + 175°C时，设备关闭，冷却15°C后重新启用，确保设备在过热情况下的安全。
• 预热过载警告：I2C变体具备热过载警告功能，当芯片温度超过 + 145°C时，设置ERROR_1寄存器的T_WARN位，提醒系统软件采取热降额/负载 shedding措施。
• 保持模式：启用保持模式后，设备在内部定时器期间保留附件电源，定时器到期后进入低Q关断模式。

USB电流限制和输出电压调整

• 电流检测放大器：通过内部USB负载电流检测放大器监测USB端口的DC负载电流，使用33mΩ的检测电阻（RSENSE）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，提供八个离散的DC电流限制值；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：支持对高达600mΩ的USB电缆进行电压降补偿。I2C变体可通过SETUP_2寄存器的GAIN[4:0]位进行配置；独立变体可通过CONFIG2和CONFIG3电阻进行配置。
• 高压模式配置：I2C变体支持高输出电压模式配置，适用于更高功率充电应用和负载突降保护的电池输出到汽车模块。

USB保护开关和主机充电器适配器仿真

• HVD + 和HVD - 保护：为高集成多媒体处理器的低压内部USB数据线提供汽车级ESD和短路保护。MAX20037需要外部ESD二极管，可保护HVD + 和HVD - 引脚至±15kV空气间隙/±8kV接触放电；MAX20038无需外部ESD阵列，同样具备高ESD保护能力。
• 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Apple兼容设备的1.0A和2.4A电阻偏置选项，还支持Legacy Samsung Galaxy 1.2V分压器和中国YD/T 1591 - 2009标准。
• HVD + 和HVD - 操作模式：具备四种离散操作模式，I2C变体可通过SETUP_3寄存器的CD[1:0]位选择所有四种模式；独立变体可通过CDP/DCP引脚选择两种模式。
• USB On - The - Go和双角色应用：MAX20037和MAX20038完全兼容USB On - The - Go和双角色应用，但在选择IC变体时需要注意与具体双角色应用的兼容性。

控制和诊断

• I2C配置：I2C变体可通过靠近接地的CONFIG1引脚的电阻进行基本设备配置，启动时将相关配置参数加载到I2C寄存器中。CONFIG1还设置DC - DC扩频使能位（SS_EN）、SYNC方向控制位（SYNC_DIR）和I2C从地址的LSB。
• 独立配置：独立变体可通过三个CONFIG引脚和接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/禁用保持模式功能和电压增益配置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。FAULT输出在故障条件持续时保持断言状态。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寄存器允许选择I2C中断引脚（INT）的断言标准。
• 故障输出引脚（FAULT）：采用内部消抖和故障消隐定时器，避免误报FAULT信号，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，ATTACH引脚可作为GPIO输入到微处理器或驱动LED进行连接/充电指示；对于I2C变体，作为中断引脚（INT）使用。

I2C接口

• 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，允许FAULT引脚连接到集线器控制器或SoC的过流故障输入，同时I2C接口用于高级诊断功能。
• 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，测量完成后清除该位并设置ERROR_2寄存器的ADC_DONE位。还可设置IV_INT位触发中断，测量结果可从USB_V和USB_I寄存器读取。
• I2C接口规范：采用I2C 2线串行接口，包括串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），支持高达400kHz的时钟速率。主设备通过发送正确的地址和数据字与IC进行通信，每个传输序列由START或Repeated START条件和STOP条件框定。
• 位传输：每个SCL周期传输一个数据位，SDA数据在SCL脉冲的高电平期间必须保持稳定。
• STOP和START条件：主设备通过发出START条件启动通信，通过发出STOP条件终止传输。
• 早期STOP条件：IC在数据传输过程中任何时候都能识别STOP条件，但在与START条件相同的高脉冲中除外。
• 时钟拉伸：IC不使用时钟拉伸来控制时钟线。
• I2C通用调用地址：IC不实现I2C规范的“通用调用地址”。
• 从地址：设备启用后，I2C从地址由CONFIG1引脚设置，地址由7个最高有效位（MSB）和R/W位组成。
• 确认：设备通过在主设备生成的第9个时钟脉冲期间拉低SDA来确认每个字节的数据接收，监测ACK可检测数据传输是否成功。

寄存器映射

I2C变体可通过11个8位寄存器全面控制设备功能。独立变体从CONFIG1 - CONFIG3引脚的电阻预加载SETUP_寄存器。

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电阻进行类似的频率选择。设备可通过将外部时钟连接到SYNC引脚与其他设备同步，也可配置SYNC引脚输出内部时钟，作为主时钟。选择开关频率时需要考虑效率、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

输入电容可减少从上游电源吸取的峰值电流，是输入电压纹波的决定因素。根据公式计算输入电容的RMS电流要求，选择自热温度上升小于10°C的输入电容。使用低ESR陶瓷电容可降低输入电压纹波，可通过相关公式估算输入电压纹波。在SUPSW引脚附近使用10µF陶瓷电容和47µF大容量电解电容，以减少EMI和抑制线路瞬变。

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。输出滤波电容决定输出电压纹波、负载瞬态响应和转换器的稳定性裕度。为确保稳定性和符合USB和Apple规范，应遵循推荐的输出滤波器。

DC - DC电感选择

选择电感时需要考虑电感值（L）、饱和电流（ISAT）和直流电阻（RDCR）三个关键参数。首先选择电感峰 - 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。根据公式计算电感值，并确保电感的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

正确的PCB布局对于系统性能至关重要。应尽量减小DC - DC转换电路的电流环路面积和寄生参数，以减少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，将暴露焊盘连接到接地，并在焊盘上放置多个过孔以连接到其他接地层，以实现良好的散热。USB走线应作为90Ω差分对进行布线，避免靠近时钟和高频开关节点，尽量减少走线长度，避免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GND的标称电缆电阻（包括公差），并考虑温度对电阻的影响。典型应用中，USB电缆的BUS电阻为200mΩ，接地路径电阻匹配，负载电流为2A时，电缆远端的电压降为800mV，需要IC的电压调整电路增加输出电压以符合USB和Apple规范。

USB负载

MAX20037/MAX20038兼容USB合规和非合规负载。合规USB设备