高效同步降压DC-DC转换器MAX17543：设计与应用详解

在电子设备的电源设计中，高效、稳定的DC-DC转换器是至关重要的组件。今天，我们就来深入探讨一款高性能的同步降压DC-DC转换器——MAX17543。

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产品概述

MAX17543是一款高效、高压的同步降压DC-DC转换器，集成了MOSFET，能够在4.5V至42V的宽输入电压范围内工作。它可以提供高达2.5A的输出电流，输出电压范围为0.9V至0.9 x VIN。在-40°C至+125°C的温度范围内，反馈（FB）电压的精度可达±1.1%。该器件采用峰值电流模式控制，可在脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）或不连续导通模式（DCM）控制方案下工作，采用20引脚（4mm x 4mm）TQFN封装，并且提供仿真模型。

产品优势与特性

减少外部组件和总成本

• 无肖特基同步操作：无需额外的肖特基二极管，简化了电路设计。
• 内部补偿：针对任何输出电压都能实现内部补偿，减少了外部补偿组件的使用。
• 内置软启动：避免了启动时的浪涌电流，保护电路元件。
• 全陶瓷电容和紧凑布局：使用全陶瓷电容，减小了电路板面积，提高了布局的紧凑性。

减少DC-DC稳压器库存

• 宽输入电压范围：4.5V至42V的宽输入范围，适用于多种电源场景。
• 可调输出电压：输出电压可在0.9V至0.9 x VIN之间调节，满足不同的应用需求。
• 可调开关频率：开关频率可在100kHz至2.2MHz之间调节，并支持外部同步。

降低功耗

• 高峰值效率：峰值效率超过90%，提高了能源利用率。
• PFM/DCM模式：在轻载时采用PFM/DCM模式，提高了轻载效率。
• 低关机电流：关机电流仅为2.8µA，降低了待机功耗。

适应恶劣工业环境

• 峰值电流限制保护：保护器件免受过载和短路的影响。
• 内置输出电压监控和复位：实时监控输出电压，确保系统的稳定性。
• 可编程EN/UVLO阈值：可根据需要设置使能和欠压锁定阈值。
• 单调启动到预偏置负载：在预偏置负载下能够平稳启动。
• 过温保护：当器件温度过高时，自动关闭，保护器件安全。
• 宽工作温度范围：可在-40°C至+125°C的环境温度下工作，结温范围为-40°C至+150°C。

电气特性

输入电源

• 输入电压范围：4.5V至42V。
• 输入关机电流：在关机模式下，输入电流仅为2.8µA（典型值）。
• 输入静态电流：在不同模式下，输入静态电流有所不同，如PFM模式下为118µA（典型值）。

使能/欠压锁定

• EN/UVLO阈值：上升阈值为1.215V（典型值），下降阈值为1.09V（典型值）。
• EN/UVLO输入泄漏电流：在+25ºC时，输入泄漏电流为0nA（典型值）。

LDO

• VCC输出电压范围：在6V < VIN < 42V，IVCC = 1mA时，VCC输出电压为5V（典型值）。
• VCC电流限制：最大电流限制为54mA（典型值）。
• VCC压降：在VIN = 4.5V，IVCC = 20mA时，VCC压降为4.2V（典型值）。
• VCC欠压锁定：上升阈值为4.2V（典型值），下降阈值为3.8V（典型值）。

功率MOSFET和BST驱动器

• 高端nMOS导通电阻：在ILX = 0.3A时，导通电阻为165mΩ（典型值）。
• 低端nMOS导通电阻：在ILX = 0.3A时，导通电阻为80mΩ（典型值）。
• LX泄漏电流：在+25ºC时，泄漏电流为0µA（典型值）。

软启动

在VSS = 0.5V时，充电电流为5µA（典型值）。

反馈

• FB调节电压：在不同模式下，FB调节电压有所不同，如在MODE = SGND或MODE = VCC时，为0.9V（典型值）。
• FB输入偏置电流：在+25ºC时，输入偏置电流为0nA（典型值）。

模式

• MODE阈值：在不同模式下，MODE阈值不同，如在DCM模式下，为VCC - 1.6V。

电流限制

• 峰值电流限制阈值：为3.7A（典型值）。
• 失控电流限制阈值：为4.3A（典型值）。
• 谷值电流限制阈值：在不同模式下有所不同，如在MODE = open/VCC时，为0A（典型值）。
• PFM电流限制阈值：为0.75A（典型值）。

RT和SYNC

• 开关频率：可通过连接不同的电阻到RT引脚来设置开关频率，如RRT = 40.2kΩ时，开关频率为500kHz（典型值）。
• SYNC频率捕获范围：为1.1 x fSW至1.4 x fSW。
• SYNC脉冲宽度：最小为50ns。
• SYNC阈值：高电平阈值为2.1V，低电平阈值为0.8V。

打嗝时间

打嗝超时时间为32,768个周期。

最小导通时间和关断时间

• 最小导通时间：为135ns。
• 最小关断时间：为140ns（典型值）。

LX死区时间

为5ns。

复位

• 复位输出低电平：在RESET = 10mA时，输出低电平为0.4V（典型值）。
• 复位输出泄漏电流：在+25°C，VRESET = 5.5V时，泄漏电流为0A（典型值）。
• FB复位阈值：下降阈值为92%VFB-REG（典型值），上升阈值为95%VFB-REG（典型值）。
• 复位解除延迟：在FB达到95%调节后，延迟1024个周期。

热关断

• 热关断阈值：温度上升时，为165°C。
• 热关断迟滞：为10°C。

典型应用电路

文档中给出了不同输出电压和开关频率的典型应用电路，如5V输出、500kHz开关频率的电路和3.3V输出、500kHz开关频率的电路等。这些电路为工程师提供了实际应用的参考。

引脚配置与功能

引脚配置

MAX17543采用20引脚TQFN封装，引脚配置如下：	PIN	NAME	FUNCTION
1–3	VIN	电源输入，4.5V至42V输入电源范围。
4	EN/UVLO	使能/欠压锁定，驱动高电平以启用输出电压。
5	RESET	开漏复位输出，监控输出电压。
6	SYNC	可用于与外部时钟同步。
7	SS	软启动输入，连接电容设置软启动时间。
8	CF	在开关频率低于500kHz时，连接电容到FB引脚。
9	FB	反馈输入，连接到外部电阻分压器设置输出电压。
10	RT	连接电阻设置调节器的开关频率。
11	MODE	配置器件工作在PWM、PFM或DCM模式。
12	VCC	5V LDO输出，旁路电容到SGND。
13	SGND	模拟地。
14–16	PGND	功率地，连接到功率接地平面。
17–19	LX	开关节点，连接到电感的开关侧。
20	BST	升压飞电容，连接0.1µF陶瓷电容到LX。
-	EP	暴露焊盘，连接到SGND，提高散热能力。

引脚功能详解

• VIN：提供电源输入，需要使用2.2µF电容进行去耦，放置在靠近VIN和PGND引脚处。
• EN/UVLO：通过连接到VIN和SGND之间的电阻分压器中心节点，设置器件开启的输入电压。
• RESET：当FB电压低于设定值的92%时，RESET输出低电平；当FB电压高于设定值的95%时，经过1024个时钟周期后，RESET输出高电平。
• SYNC：可将内部振荡器与外部时钟信号同步，外部时钟频率需在1.1 x fSW至1.4 x fSW之间。
• SS：连接电容到SGND，设置软启动时间。
• CF：在开关频率低于500kHz时，连接电容到FB引脚，用于环路补偿。
• FB：连接到外部电阻分压器的中心节点，设置输出电压。
• RT：连接电阻到SGND，设置开关频率。
• MODE：配置器件的工作模式，如PWM、PFM或DCM模式。
• VCC：提供5V LDO输出，需要使用2.2µF陶瓷电容进行旁路。
• SGND：模拟地，与PGND在VCC旁路电容的接地返回路径处连接。
• PGND：功率地，连接到功率接地平面。
• LX：开关节点，连接到电感的开关侧。
• BST：连接0.1µF陶瓷电容到LX，用于升压。
• EP：暴露焊盘，连接到SGND，连接到IC下方的大铜平面，提高散热能力。

工作模式

PWM模式

在PWM模式下，电感电流允许为负，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，效率低于PFM和DCM模式。

PFM模式

PFM模式禁用负电感电流，并在轻载时跳过脉冲以提高效率。在PFM模式下，电感电流在每个时钟周期被强制为750mA的固定峰值，直到输出电压达到标称电压的102.3%。此时，高低端FET均关闭，器件进入休眠模式，直到输出电压下降到标称电压的101.1%。在休眠模式下，大部分内部模块关闭以节省静态电流。PFM模式的优点是轻载时效率高，但输出电压纹波比PWM或DCM模式高，且轻载时开关频率不恒定。

DCM模式

DCM模式通过在轻载时禁用负电感电流而不是跳过脉冲，实现比PFM模式更低负载下的恒定频率操作。DCM模式的效率介于PWM和PFM模式之间。

关键参数设置

开关频率设置

开关频率可通过连接电阻从RT引脚到SGND进行编程，范围为100kHz至2.2MHz。开关频率（fSW）与连接在RT引脚的电阻（RRT）的关系为： [R{RT} cong frac{21 × 10^{3}}{f{SW}} - 1.7] 其中，(R{RT})的单位为kΩ，(f{SW})的单位为kHz。如果RT引脚开路，则器件以默认的500kHz开关频率工作。

输入欠压锁定设置

通过连接从VIN到SGND的电阻分压器，将分压器的中心节点连接到EN/UVLO引脚，可设置器件开启的电压。选择R1为3.3MΩ，然后根据以下公式计算R2： [R2 = frac{R1 × 1.215}{(V{INU} - 1.215)}] 其中，(V{INU})是器件需要开启的电压，且(V_{INU})应高于0.8 x VOUT。

输出电压调整

通过连接从输出电容正端（VOUT）到SGND的电阻分压器，将分压器的中心节点连接到FB引脚，可设置输出电压。计算电阻R3和R4的公式如下： [R3 = frac{216 × 10^{3}}{(f{C} × C{OUT})}] [R4 = frac{R3 × 0.9}{(V{OUT} - 0.9)}] 其中，R3的单位为kΩ，交叉频率(f{C})的单位为kHz，输出电容（COUT）的单位为μF。如果开关频率小于或等于500kHz，选择(f{C})为开关频率的1/9；如果开关频率大于500kHz，选择(f{C})为55kHz。

保护功能

过流保护/打嗝模式

MAX17543具有强大的过流保护方案，在过载和输出短路条件下保护器件。当高端开关电流超过内部限制3.7A（典型值）时，逐周期峰值电流限制会关闭高端MOSFET。高端开关电流的失控电流限制为4.3A（典型值），可在高输入电压、短路条件下保护器件。一旦触发失控电流限制，将进入打嗝模式。此外，如果在软启动完成后，由于故障条件，反馈电压降至0.58V（典型值），也会触发打嗝模式。在打嗝模式下，转换器会暂停开关操作32,768个时钟周期，然后再次尝试软启动。

复位输出

器件包含一个复位比较器，用于监控输出电压。开漏复位输出需要一个外部上拉电阻。当调节器输出电压高于设计标称调节电压的95%时，经过1024个开关周期后，RESET输出高电平（高阻抗）；当调节器输出电压降至标称调节电压的92%以下时，RESET输出低电平。在热关断时，RESET也会输出低电平。

预偏置输出

当器件启动到预偏置输出时，高低端开关均关闭，以防止转换器从输出吸收电流。直到PWM比较器发出第一个PWM脉冲，开关才开始工作，输出电压随后平稳上升到目标值。

热关断保护

热关断保护限制了器件的总功耗。当器件的结温超过+165ºC时，片上热传感器会关闭器件，使其冷却。当结温下降10ºC后，热传感器会再次开启器件。热关断时，软启动会复位。在正常操作中，需要仔细评估总功耗，以避免不必要的热关断触发。

元件选择

输入电容选择

输入滤波电容可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（IRMS）可通过以下公式计算： [IRMS = I{OUT(MAX)} × frac{sqrt{V{OUT} × (V{IN} - V{OUT})}}{V{IN}}] 其中，(I{OUT(MAX)})是最大负载电流。当输入电压等于输出电压的两倍（(V{IN} = 2 × VOUT)）时，(IRMS)达到最大值，即(I{RMS(MAX)} = I{OUT(MAX)} / 2)。为了获得最佳的长期可靠性，应选择在RMS输入电流下温度上升小于+10ºC的输入电容。建议在输入使用低ESR陶瓷电容，具有高纹波电流能力。在工业应用中，推荐使用X7R电容，因为它们具有温度稳定性。输入电容的计算公式为： [C{IN} = frac{I{OUT(MAX)} × D × (1 - D)}{eta × f{SW} × Delta V{IN}}] 其中，(D = V{OUT} / V{IN})是控制器的占空比，(f{SW})是开关频率，(Delta V_{IN})是允许的输入电压纹波，(eta)是效率。

电感选择

与器件配合使用时，需要指定三个关键电感参数：电感值（L）、电感饱和电流（(I{SAT})）和直流电阻（(R{DCR})）。开关频率和输出电压决定了电感值，计算公式为： [L = frac{V{OUT}}{f{SW}}] 其中，(V{OUT})和(f{SW})是标称值。应选择最接近计算值、尺寸合适且直流电阻尽可能低的低损耗电感。电感的饱和