MAX17550：高效同步降压DC - DC转换器的卓越之选

在电子设计领域，DC - DC转换器是实现电源管理的关键组件。今天，我们要深入探讨的是Maxim Integrated推出的MAX17550，一款高性能的同步降压DC - DC转换器，它在众多应用场景中展现出了独特的优势。

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一、产品概述

MAX17550是一款集成MOSFET的高效、高压同步降压DC - DC转换器，其输入电压范围为4V至60V，能够提供高达25mA的输出电流，输出电压可在0.8V至0.9 x VIN之间调节。在 - 40°C至 + 125°C的温度范围内，反馈（FB）电压的精度可达±1.75%。该器件采用峰值电流模式控制，支持脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PFM）两种工作模式。它提供10引脚（3mm x 2mm）TDFN和10引脚（3mm x 3mm）μMAX®两种封装形式，并且还提供仿真模型，方便工程师进行设计和验证。

二、应用领域

1. 工业传感器和过程控制

在工业环境中，需要稳定可靠的电源来驱动各种传感器和执行器。MAX17550的宽输入电压范围和高精度输出能够满足工业传感器对电源的严格要求，确保传感器数据的准确采集和处理。

2. 高压LDO替代

传统的低压差线性稳压器（LDO）在高压输入时效率较低，而MAX17550具有较高的转换效率，能够有效降低功耗，提高系统的整体效率。

3. 电池供电设备

对于电池供电的设备，如便携式仪器、无线传感器节点等，低功耗是关键因素。MAX17550在PFM模式下仅消耗22µA的无负载电源电流，能够显著延长电池的使用寿命。

4. HVAC和建筑控制

在暖通空调（HVAC）和建筑控制系统中，需要对多个设备进行电源管理。MAX17550的小尺寸和高集成度使其能够轻松集成到这些系统中，实现高效的电源转换。

三、优势与特性

1. 减少外部组件和总成本

• 采用同步整流技术，无需肖特基二极管，减少了外部组件的数量。
• 内部补偿适用于任何输出电压，无需额外的补偿电路。
• 内置软启动功能，可避免启动时的电流冲击。
• 支持全陶瓷电容，实现紧凑的布局设计。

  2. 减少DC - DC稳压器的库存

• 宽4V至60V的输入电压范围，适用于多种电源应用。
• 可调0.8V至0.9 x VIN的输出电压，满足不同负载的需求。
• 100kHz至2.2MHz的可调开关频率，并支持外部同步，可根据系统要求进行灵活配置。

  3. 降低功耗

• 22µA的静态电流和峰值效率 > 90%，在轻负载时能够有效降低功耗。
• PFM模式可进一步提高轻负载效率，减少不必要的能量损耗。
• 1.2µA的关断电流，在系统不工作时能够将功耗降至最低。

  4. 在恶劣环境下可靠运行

• 具有峰值电流限制保护功能，可防止电感峰值电流过大，保护器件免受损坏。
• 内置输出电压监控复位功能，当FB电压低于设定值的92%时，RESET引脚拉低，确保系统的稳定性。
• 可编程的EN/UVLO阈值，可根据实际需求设置输入欠压锁定点。
• 能够在预偏置负载下实现单调启动，避免启动时的电压波动。
• 具备过温保护功能，当结温超过 + 160°C时，自动关闭器件，防止过热损坏。
• 工业级 - 40°C至 + 125°C的环境工作温度范围和 - 40°C至 + 150°C的结温范围，适用于各种恶劣环境。

四、电气特性

1. 输入电源

输入电压范围为4V至60V，输入关断电流在V_EN/UVLO = 0V，TA = + 25°C时为0.67μA至2.25μA。在不同工作模式下，输入电源电流也有所不同，如在PFM模式下典型值为18μA，在正常开关模式下（VIN = 24V）为180μA至650μA。

2. 外部偏置

VOUT开关阈值为2.96V至3.12V，可用于为内部控制电路提供低电压电源，提高转换器的效率。

3. 使能/欠压锁定

EN/UVLO阈值在上升时为1.2V至1.3V，下降时为1.1V至1.2V，可用于控制器件的开启和关闭。当EN/UVLO引脚电压低于0.7V时，器件进入真正的关断状态。

4. 功率MOSFET

高侧pMOS的导通电阻在LLx = 0.1A（源极）时为3.2Ω至11.1Ω，低侧nMOS的导通电阻在LLx = 0.1A（漏极）时为1.6Ω至6Ω。LX引脚的泄漏电流在V_EN = 0V，TA = + 25°C，VLx = (VGND + 1V)至(VIN - 1V)时为 - 1μA至 + 1μA。

5. 软启动

当SS引脚未连接时，软启动时间为4.4ms至5.8ms，SS引脚充电电流在VSS = 0.4V时为4.7μA至5.3μA。

6. 反馈

FB调节电压在MODE = GND时为0.786V至0.814V，在MODE未连接时为0.786V至0.826V。FB输入泄漏电流在VFB = 1V，TA = 25°C时为 - 100nA至 + 100nA。

7. 电流限制

峰值电流限制阈值为66mA至78mA，负电流限制阈值在VMODE = GND时为24mA至40mA，在VMODE未连接时为0.01mA。PFM电流水平在VMODE未连接时为17mA至29mA。

8. 开关频率

开关频率可通过连接在RT/SYNC引脚的电阻进行编程，范围为100kHz至2.2MHz。不同电阻值对应的开关频率不同，如RRT = 422kΩ时为90kHz至111kHz，RRT = 191kΩ时为205kHz至235kHz等。

9. 同步输入

SYNC输入频率范围为1.1 x fSW至2200kHz，SYNC脉冲最小关断时间为40ns，SYNC上升阈值为1V至1.44V，滞后为0.115V至0.265V，使能同步所需的SYNC脉冲数为1个周期。

10. 时序

最小导通时间为46ns至128ns，最大占空比在fSW ≤ 600kHz，VFB = 0.98 x VFB - REG时为90%至98%，在fSW > 600kHz，VFB = 0.98 x VFB - REG时为87%至92%。打嗝超时时间为51ms。

11. 复位

FB上升时RESET的阈值为93%至97%，FB下降时RESET的阈值为90%至94%。FB电压上升到设定值的95%后，RESET延迟2.1ms变为高阻抗。RESET输出低电平在I_RESET = 1mA时为0.23V，RESET输出泄漏电流在VFB = 1.01 x VFB - REG，TA = + 25°C时为1μA。

12. 模式

MODE引脚用于选择PFM或PWM模式。MODE PFM阈值为1V至1.44V，MODE滞后为0.19V。MODE内部上拉电阻在VMODE未连接时为123kΩ，在VMODE = GND时为1390kΩ。

13. 热关断

热关断阈值在温度上升时为160°C，热关断滞后为20°C。

五、典型应用电路

文档中给出了多个典型应用电路，如高效5V、25mA稳压器，高效3.3V、25mA稳压器等。这些电路展示了如何根据不同的输出电压和负载要求选择合适的电感、电容和电阻等元件，为工程师的设计提供了参考。

六、引脚配置与功能

1. IN

开关稳压器输入引脚，需连接一个X7R 1μF陶瓷电容到GND进行旁路。

2. EN/UVLO

高电平有效，用于使能/欠压检测输入。将该引脚拉低可禁用稳压器输出，连接到IN可实现始终开启操作。可通过外部电阻分压器调节输入电压，控制器件的开启和关闭。

3. RT/SYNC

振荡器定时电阻输入引脚，通过连接电阻到GND可编程开关频率。同时，该引脚还可用于与外部系统时钟同步。

4. SS

软启动电容输入引脚，连接电容到GND可设置软启动时间。若不连接，则采用默认的5.1ms内部软启动。

5. FB

输出反馈连接引脚，通过连接电阻分压器到VOUT和GND可设置输出电压。

6. VOUT

内部控制电路的外部偏置输入引脚，在输出电压为3.3V至5V的应用中，需用0.22μF电容去耦到GND，并通过22.1Ω电阻连接到输出电容的正端。对于输出电压小于3.3V或大于5V的应用，应连接到GND。

7. RESET

开漏复位输出引脚，需通过外部电阻上拉到外部电源。当FB电压低于设定值的92%时，RESET引脚拉低；当FB电压上升到设定值的95%以上2ms后，RESET引脚变为高阻抗。

8. MODE

PFM/PWM模式选择输入引脚，连接到GND可启用固定频率的PWM操作，不连接则在轻负载时采用PFM操作。

9. GND

接地引脚，应连接到电源接地平面，并将所有电路接地连接在一点。

10. LX

电感连接引脚，连接到电感的开关侧。在器件关断时，该引脚为高阻抗。

11. EP（仅TDFN封装）

外露焊盘，连接到GND引脚。

七、详细工作原理

1. 控制架构

MAX17550采用内部补偿的峰值电流模式控制架构。在内部时钟的上升沿，高侧pMOSFET导通。内部误差放大器将反馈电压与固定的内部参考电压进行比较，生成误差电压。PWM比较器将误差电压与电流检测电压和斜率补偿电压之和进行比较，以设置“导通时间”。在pMOSFET导通期间，电感电流上升；在剩余的开关周期（关断时间）内，pMOSFET关断，低侧nMOSFET导通，电感释放存储的能量，为输出提供电流。

2. 模式选择

• PWM模式：电感电流允许为负，适用于对频率敏感的应用，可在所有负载下提供固定的开关频率。但在轻负载时，与PFM模式相比，效率较低。
• PFM模式：禁用负电感电流，并在轻负载时跳过脉冲以提高效率。在每个时钟周期，电感电流被强制达到固定的峰值（典型值为23mA），直到输出电压上升到标称电压的102%。此时，高侧和低侧FET均关断，器件进入休眠状态，直到负载将输出电压放电到标称电压的101%。在休眠状态下，大部分内部模块关闭以节省静态电流。当负载电流增加到大约IPFM - (ΔI / 2)时，器件自然退出PFM模式；当负载电流降低到大约(ΔI / 2)时，再次进入PFM模式。

  3. 使能输入和软启动

  当EN/UVLO电压高于1.25V（典型值）时，器件启动软启动序列。软启动时间取决于SS引脚的状态。若SS引脚未连接，则采用默认的5ms内部软启动，逐渐提升内部误差放大器的参考电压。若连接电容到SS引脚，5μA的电流源将对电容充电，使SS引脚电压上升，该电压作为内部误差放大器的参考，使输出电压从零单调上升到最终设定值，不受负载电流的影响。

  4. 开关频率和外部同步

  开关频率可通过连接在RT/SYNC引脚的电阻在100kHz至2.2MHz范围内编程。为确保内部自适应环路补偿方案的正确配置，130kHz至160kHz和230kHz至280kHz的开关频率范围不允许用户编程。RT/SYNC引脚还可用于将器件的内部振荡器与外部系统时钟同步，但仅在PWM模式（MODE引脚连接到GND）下允许。外部时钟应通过47pF电容耦合到RT/SYNC引脚，逻辑高电平应高于3V，逻辑低电平应低于0.5V，占空比应在10%至70%之间。RT电阻应选择为使开关频率比外部时钟频率低10%，并且外部时钟应在启用器件后至少500μs施加，以确保内部环路补偿的正确配置。

  5. 外部偏置

  当VOUT引脚电压超过3.1V时，器件从该引脚汲取开关和静态电流，以提高转换器的效率。在输出电压为3.3V至5V的应用中，VOUT应通过陶瓷电容去耦到GND，并通过电阻连接到输出电容的正端，以避免在短路条件下VOUT引脚的绝对最大额定值被超过。对于输出电压小于3.3V或大于5V的应用，VOUT应连接到GND。

  6. 复位输出

  RESET引脚用于监控输出电压。当输出电压上升到标称设定值的95%以上2ms后，RESET引脚变为高阻抗；当输出电压下降到设定标称输出电压的92%以下时，RESET引脚拉低。在打嗝超时期间，RESET引脚也会拉低。

  7. 预偏置输出启动

  MAX17550支持在预偏置输出下单调启动。当器件在预偏置输出下启动时，高侧和低侧开关均关断，转换器不会从输出汲取电流。直到PWM比较器发出第一个PWM脉冲，开关才开始切换，输出电压随后平稳上升到目标值，与内部参考一致。这一特性在为具有多个电源轨的数字集成电路供电的应用中非常有用。

  8. 输入电压范围

  最大工作输入电压由最小可控导通时间决定，最小工作输入电压由最大占空比和电路电压降决定。可通过以下公式计算给定输出电压下的最小和最大工作输入电压： [V{INMAX }=frac{V{OUT }}{t{ONMIN } × f{SW }}] [V{INMIN }=frac{V{OUT }+left(I{OUT } timesleft(R{DCR}+6.0right)right)}{D{MAX }}+left(I{OUT } × 5.1right)] 其中，VOUT为稳态输出电压，IOUT为最大负载电流，RDCR为电感的直流电阻，fSW为最大开关频率，DMAX为最大占空比（0.9），tONMIN为最坏情况下的最小可控开关导通时间（128ns）。

  9. 过流保护和打嗝模式

  器件采用打嗝式过载保护方案，以保护电感和内部FET在输出短路条件下不受损坏。当电感峰值电流连续16次超过0.072A（典型值）时，器件进入打嗝模式。在该模式下，器件首先以滞回式逐周期峰值电流限制运行，持续时间为软启动时间的两倍，然后关闭51ms的打嗝超时时间。这种电感电流波形的滞回序列和打嗝超时时间会持续，直到输出的短路/过载情况消除，从而避免电感电流失控。

  10. 热过载保护

  热过载保护可限制IC的总功耗。当结温超过 + 160°C时，片上热传感器将关闭器件，关闭内部功率MOSFET，使其冷却。当结温下降20°C后，器件重新开启。

八、元件选择

1. 电感选择

应选择具有尽可能低的直流电阻且适合规定尺寸的低损耗电感。可通过以下公式计算所需的电感值： [L=frac{37000 × V{OUT }}{f{SW}}] 其中，L为电感值（μH），VOUT为输出电压，fSW为开关频率（kHz）。 同时，可通过以下公式计算输出电感中的峰 - 峰纹波电流（ΔI）： [Delta I=frac{1000 × V{OUT } timesleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)}{f{SW } × L}] 电感的饱和电流额定值必须超过