深入剖析MAX16930/MAX16931：2MHz、36V双通道降压转换器，带预升压功能

深入剖析MAX16930/MAX16931：2MHz、36V双通道降压转换器，带预升压功能

在汽车电子和分布式电源系统等领域，对高效、稳定且具备宽输入电压范围的电源管理芯片需求日益增长。Maxim Integrated的MAX16930/MAX16931 2MHz、36V双通道降压转换器，凭借其独特的预升压功能和低静态电流特性，成为了众多工程师的理想选择。今天，我们就来深入探讨这款芯片的特点、工作原理以及设计要点。

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一、产品概述

MAX16930/MAX16931是一款汽车级三路输出开关电源，集成了两个同步降压控制器和一个异步升压控制器。它能够在2V至42V的宽输入电压范围内工作，带有预升压模式，支持95%的占空比，可满足汽车冷启动或引擎启停等恶劣条件下的应用需求。该芯片的降压型控制器以180°错相工作，频率高达2.2MHz，有助于降低输出纹波，并避免AM波段干扰。同时，其静态电流低至20μA，有效降低了功耗。

二、关键特性分析

1. 宽输入电压范围与预升压功能
   • 芯片可工作在2V至42V的输入电压范围内，预升压功能允许其在低至2V的输入电压下为降压控制器通道供电，确保系统在汽车电池电压波动较大的情况下仍能稳定工作。
2. 高性能降压控制器
   • 两路2MHz降压控制器采用180°错相工作模式，有效降低了输出纹波。其最小导通时间仅为50ns，能够在汽车电池输出3.3V、2.2MHz的条件下正常工作。输出电压精度高达±1%，可提供固定5.0V/3.3V或1V至10V可调的输出电压。
3. 灵活的频率控制
   • 开关频率可通过电阻在200kHz至2.2MHz的范围内进行调节，同时支持强制固定频率工作模式、超低静态电流的跳脉冲模式和外时钟同步模式，还具备扩频选项，可将EMI干扰降至最小。
4. 完善的保护功能
   • 芯片具备电源过压和欠压锁定、过温和短路保护等功能，确保系统在各种异常情况下的安全性和稳定性。
5. 良好的封装与温度特性
   • 采用40引脚TQFN - EP和侧面防潮QFND - EP封装，工作温度范围为 - 40°C至 + 125°C，满足汽车级应用的要求。

三、电气特性详解

芯片的电气特性涵盖了多个方面，包括电源电压范围、供电电流、输出电压精度、开关频率、限流阈值等。例如，在正常工作条件下，电源电压范围为3.5V至36V，在预升压模式下可低至2.0V；供电电流在不同使能和输出条件下有所不同，待机模式下总耗流可降至30μA（典型值），禁止全部三个控制器时，总耗流进一步降低至6.8μA。

四、工作模式与控制策略

1. 软启动
   • 使能降压转换器后，软启动电路会在6ms（典型值）的时间内逐渐上升基准电压，减小启动期间的输入浪涌电流。启动条件包括VBIAS超过3.4V（最大值）欠压锁定门限和VEN_为逻辑高。
2. 开关频率与外同步
   • MAX16930提供1MHz至2.2MHz可调节的内部振荡器，MAX16931提供200kHz至1MHz可调节的内部振荡器。通过在FOSC和AGND之间连接电阻RFOSC来设定开关频率。芯片还可同步至外部时钟信号，使FSYNC频率保持在内部频率的110%至125%之间，占空比为50%。
3. 轻载高效率跳脉冲模式
   • 当FSYNC为低电平时，芯片进入跳脉冲模式。在此模式下，器件停止开关，直到FB电压下降至基准电压以下，然后开始开关操作，直到电感电流达到电感DCR或输出旁路电阻定义的最大电流的30%（跳脉冲门限）。
4. 强制PWM模式
   • 将FSYNC驱动为高电平，可使芯片进入强制PWM模式，禁止电感电流的过零检测，防止器件进入跳脉冲模式。该模式可保证开关频率在所有负载条件下恒定，但会降低轻载条件下的效率。
5. 扩频功能
   • MAX16930AGLS/MAX16930AGLU/MAX16931AGLS具有扩频功能，对开关频率进行±6%的加抖，减小时钟频率下的峰值辐射噪声及其谐波，满足严格的辐射要求。但使用外部时钟源时，扩频功能将被禁止。

五、设计步骤与要点

1. 降压转换器设计
   • 有效输入电压范围：需注意最小电压转换比（VOUT/VIN）可能受限于最小可控导通时间，最大电压转换比受限于最大占空比（95%）。为实现连续传导，应满足相应的电压转换比条件。
   • 输出电压设定：将FB1和FB2连接至BIAS时，可使能固定降压控制器输出电压（5V和3.3V）；若要在1V至10V之间调节输出电压，需在输出（OUT_）至FB_及AGND之间连接电阻分压器。
   • 电感选择：电感的关键参数包括电感值（L）、电感饱和电流（IsAT）和直流电阻（RDCR）。应根据典型占空比、峰 - 峰交流电流与直流平均电流之比（LIR）等因素选择合适的电感。
   • MOSFET选择：选择逻辑电平控制的n沟道MOSFET，确保在VGS = 4.5V时保证低阻导通，具备合适的VDS指标和足够的电流能力。
   • 电容选择：输入电容应足以承受输入纹波电流，保证输入电压纹波在设计要求范围之内；输出电容的选择需考虑其ESR和电容值，以满足输出纹波和负载瞬态要求。
2. 升压转换器设计
   • 输出电压设定：通过在升压转换器输出至FBBST及TERM之间连接电阻分压器，调节升压转换器输出电压。
   • 电感选择：占空比和频率对于计算电感大小非常重要，可通过设置FSELBST的输入电压选择升压频率。选择饱和电流额定值高于转换器峰值开关限流的电感。
   • MOSFET和二极管选择：升压n沟道MOSFET应在VGS = 4.5V时可保证导通电阻指标，具备合适的VDS指标和足够的电流能力；二极管应能提供平均输出电流加电感峰值电流，可使用肖特基二极管降低功耗。
   • 电容选择：输入电容的RMS纹波电流较低，可根据公式计算最小输入电容值和最大ESR；输出电容需满足负载电流要求，ESR应足够低。
   • 旁路电阻选择：连接在电池和电感之间的电流检测电阻（RCS）设定限流值，可根据公式计算RCS的值。

六、布局建议

严谨的PCB布局是实现低开关损耗以及干净、稳定工作的关键。功率开关级需要特别注意，应遵循以下原则：

1. 大电流通路尽量短，尤其在接地端，以确保稳定、无抖动工作。
2. 使电源走线和负载连接尽量短，采用厚铜PCB可提高满载效率。
3. 通过连接CS和OUT，将电流检测误差降至最小，直接在电流检测电阻上使用开尔文检测。
4. 使高速开关节点（BST、LX、DH和DL）远离敏感的模拟区域（FB_、CS和OUT）。

七、结论

MAX16930/MAX16931以其卓越的性能和丰富的功能，为汽车电子和分布式电源系统等领域的电源设计提供了理想的解决方案。在实际应用中，工程师们需要根据具体的设计要求，合理选择芯片的工作模式和外部元件参数，并严格遵循PCB布局建议，以确保系统的稳定性和高效性。大家在使用这款芯片的过程中，有没有遇到过一些独特的问题或者有什么创新性的应用呢？欢迎在评论区分享交流。