MAX15023：宽输入电压范围的双输出同步降压控制器

在电子设计领域，电源管理芯片的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。MAX15023作为一款宽输入电压范围的双输出同步降压控制器，为工程师们提供了强大而灵活的电源解决方案。今天，我们就来深入了解一下这款芯片。

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一、产品概述

MAX15023可在5.5V至28V或5V ±10%的输入电压范围内工作，能够产生两个独立的输出电压。每个输出电压可在0.6V至输入电压的85%之间进行调节，并且能够支持12A或更高的负载。通过180°异相交错操作，有效降低了输入电压纹波和总RMS输入纹波电流。

二、关键特性

2.1 输入输出特性

• 宽输入电压范围：支持5.5V至28V或5V ±10%的输入，适应多种电源环境。
• 可调输出电压：输出电压可在0.6V至输入电压的85%之间灵活调整，满足不同负载的需求。

2.2 频率调整与整流特性

• 可调开关频率：通过外部电阻可将开关频率从200kHz调整到1MHz，方便工程师根据具体应用进行优化。
• 自适应同步整流：无需外部续流肖特基二极管，降低了成本和功耗。

2.3 保护特性

• 电流限制与热关断：具备逐周期、低侧源峰值电流限制和热关断功能，有效保护芯片在过载和短路情况下的安全。
• 打嗝模式短路保护：在短路情况下，打嗝模式电流限制可降低功耗，提高系统的可靠性。

2.4 其他特性

• 独立电源良好输出和使能输入：两个独立的电源良好输出和使能输入，可用于电源监控和电源排序。
• 自适应内部数字软启动：允许预偏置启动而无需对输出放电，实现对大输出电容的平滑充电。

三、工作原理

3.1 DC - DC PWM控制

MAX15023采用PWM电压模式控制方案，每个通道的控制环路补偿为外部补偿，提供了在选择工作频率和输出LC滤波组件时的最大灵活性。内部跨导误差放大器在COMP_端产生积分误差电压，有助于提高直流精度。

3.2 交错异相操作

两个独立的调节器以180°异相方式工作，减少了输入滤波要求，降低了电磁干扰（EMI），提高了效率，同时降低了组件成本和节省了电路板空间。

3.3 内部5.2V线性调节器

当可用电源电压超过5.5V时，内部5.2V低压差线性调节器为内部功能和MOSFET驱动器供电。如果有外部5V ±10%的电源电压，IN和VCC可以连接到5V电源。

3.4 MOSFET栅极驱动器

DH_和DL_驱动器针对驱动大型n沟道功率MOSFET进行了优化，自适应死区时间电路可防止交叉导通或直通，确保了高效稳定的工作。

3.5 高侧栅极驱动电源和内部升压开关

通过内部开关在BST_和DH之间闭合，为高侧MOSFET提供必要的栅源电压，升压电容在高侧MOSFET导通期间维持栅极驱动器两端的电压。

3.6 使能输入、自适应软启动和软停止

通过控制每个相位的使能输入（EN1和EN2），可以独立地打开和关闭两个输出。软启动序列通过逐步增加误差放大器的参考电压来实现，软停止序列则通过逐步降低参考电压来实现。

3.7 电源良好输出

两个电源良好比较器用于监测调节器的输出电压，当输出电压超过标称调节电压的92.5%时，PGOOD_输出变为高电平；当输出电压下降到标称调节电压的89.5%以下时，PGOOD_输出变为低电平。

3.8 启动到预偏置输出

当控制器启动到预偏置输出时，DH_/DL_互补开关序列被抑制，直到PWM比较器发出第一个PWM脉冲。

3.9 电流限制电路

采用逐周期低侧源峰值和吸收电流传感算法，使用低侧MOSFET的导通电阻作为电流传感元件，无需昂贵的传感电阻，并且电流限制可通过外部电阻进行调节。

3.10 打嗝模式过流保护

在长时间短路或深度过载情况下，打嗝模式过流保护可降低功耗。当逐周期低侧源峰值电流限制条件持续存在时，控制器停止DL和DH_驱动器，并等待7936个开关周期后再启动新的软启动序列。

3.11 欠压锁定

内部欠压锁定（UVLO）电路监测VCC电压，当VCC电压低于3.8V（典型值）时，防止MAX15023工作，具有430mV的滞后以防止电源电压上升/下降时的抖动。

3.12 热过载保护

当芯片的结温超过150°C时，片上热传感器会关闭芯片，当结温冷却20°C后，热传感器会再次开启芯片。

四、设计步骤

4.1 有效输入电压范围

最小电压转换比可能受最小可控导通时间的限制，最大电压转换比受最大占空比的限制。为避免脉冲跳过，可降低开关频率或输入电压。

4.2 设置使能输入

每个控制器的使能输入参考模拟电压（1.2V），可通过电阻分压器电路设置特定的开启阈值。

4.3 设置输出电压

通过连接从输出到FB_再到SGND的电阻分压器来设置每个通道的输出电压。

4.4 设置开关频率

开关频率通过连接从RT到SGND的电阻进行设置，频率与电阻的关系为(R{T}=frac{24806}{(f{SW})^{1.0663}})。

4.5 电感选择

需要指定电感的电感值、饱和电流和直流电阻三个关键参数。电感值可根据开关频率、输入电压、输出电压和所选的电感峰 - 峰交流电流与直流平均电流之比（LIR）来确定。

4.6 设置逐周期低侧源峰值电流限制

电流限制阈值必须足够高，以支持最大预期负载电流。可通过连接从LIM_到SGND的电阻来调整电流限制阈值。

4.7 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，降低输入电压纹波。应选择在RMS输入电流下温度上升小于+10°C的输入电容。

4.8 输出电容选择

输出电容的关键选择参数包括电容值、ESR和电压额定值，这些参数会影响系统的稳定性、输出纹波电压和瞬态响应。

4.9 补偿

每个通道提供内部跨导放大器，可进行外部频率补偿。根据输出电容的类型选择合适的补偿网络，以确保系统的稳定性和良好的瞬态响应。

4.10 MOSFET选择

MAX15023驱动两个外部逻辑电平n沟道MOSFET，选择时需考虑导通电阻、最大漏源电压、最小阈值电压、总栅极电荷、反向传输电容和功耗等参数。

4.11 功率耗散

器件的最大功耗取决于芯片到环境的热阻和环境温度。可通过计算功耗和热阻来估计芯片的温度上升。

4.12 升压飞电容选择

根据高侧MOSFET的总栅极电荷和允许的电压变化来选择升压飞电容的大小。

五、应用信息

5.1 PCB布局指南

• 建立小的模拟接地平面或使用专用内部平面，连接到SGND，并用于IN旁路电容、补偿组件、反馈分压器、RT电阻和LIM_电阻的接地连接。
• 将所有功率组件放置在电路板的顶层，仅在顶层使用走线或铜填充来运行功率级电流，避免添加过孔。
• 在顶层布局大的PGND铜区域，连接高频输入电容、输出电容和低侧MOSFET的源极。
• 将SGND平面与顶层铜PGND区域进行星型连接，在源极感应附近使用少量过孔。
• 保持功率走线和负载连接短，特别是在接地端子处。
• 将控制器IC放置在同步整流MOSFET附近，保持LX、PGND、DH_和DL_的连接短而宽。
• 路由高速开关节点远离敏感模拟区域，将所有SGND参考和反馈组件靠近IC放置。

5.2 典型应用电路

文档中提供了三种典型应用电路，分别适用于单电源轨、5V ±10%电源和辅助5V电源与3.3V总线的情况。

六、总结

MAX15023以其宽输入电压范围、灵活的输出调节、丰富的保护特性和良好的性能，为电子工程师在电源设计方面提供了一个优秀的选择。在实际应用中，工程师们需要根据具体的需求和设计要求，合理选择外部组件，并遵循PCB布局指南，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用MAX15023或类似电源管理芯片时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。