MAX17546：高效同步降压DC - DC转换器的设计与应用

在电子设备的电源设计领域，一款性能出色的DC - DC转换器至关重要。今天我们就来深入探讨Maxim Integrated推出的MAX17546，这是一款4.5V至42V、5A的高效同步降压DC - DC转换器，具有内部补偿功能，能满足多种应用场景的需求。

文件下载：MAX17546.pdf

一、产品概述

MAX17546是一款集成了高端MOSFET的高效、高压同步降压DC - DC转换器，输入电压范围为4.5V至42V，可提供高达5A的输出电流，输出电压范围从0.9V到0.9×VIN。其反馈（FB）电压在 - 40°C至 + 125°C的温度范围内精度可达±1.4%。该转换器采用峰值电流模式控制，支持脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和不连续导通模式（DCM）控制方案。它采用20引脚（5mm x 5mm）薄型QFN（TQFN）封装，并且提供仿真模型。

二、产品优势与特性

2.1 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：适用于任何输出电压，无需外部补偿组件。
• 内置软启动：可减少启动时的浪涌电流。
• 全陶瓷电容，紧凑布局：使用陶瓷电容有助于减小电路板面积。

2.2 减少DC - DC稳压器库存

• 宽输入电压范围：4.5V至42V的输入范围，可适应多种电源。
• 可调输出电压：输出电压范围从0.9V到VIN的90%，满足不同应用需求。
• 可调开关频率：100kHz至2.2MHz的可调开关频率，并支持外部同步。

2.3 降低功耗

• 高效率：峰值效率 > 95%。
• PFM/DCM模式：提高轻载效率。
• 辅助自举LDO：提高效率。
• 低关机电流：3.5µA的关机电流，降低待机功耗。

2.4 恶劣工业环境下可靠运行

• 过流保护：具有打嗝或锁存模式过载保护。
• 短路检测：DL - 到 - LX短路检测功能。
• 输出电压监控：内置输出电压监控和RESET功能。
• 可编程EN/UVLO阈值：可根据需要设置输入欠压锁定阈值。
• 预偏置负载启动：单调启动到预偏置负载。
• 宽温度范围：工业级 - 40°C至 + 125°C的环境工作温度范围， - 40°C至 + 150°C的结温范围。

三、电气特性

3.1 输入电源

输入电压范围为4.5V至42V，输入关机电流在关机模式下为3.5 - 5.5µA，不同模式下的输入静态电流也有明确规定。

3.2 使能/欠压锁定（EN/UVLO）

EN/UVLO阈值包括上升和下降阈值，输入泄漏电流在特定条件下为 - 50至 + 50nA。

3.3 LDO和EXT LDO

VCC输出电压范围为4.75 - 5.25V，有电流限制和压降等参数；EXT VCC有工作电压范围、切换电压和压降等特性。

3.4 功率MOSFET和低端驱动器

高端nMOS导通电阻、LX泄漏电流、上拉和下拉电阻等都有相应的参数。

3.5 软启动

充电电流为4.7 - 5.3µA。

3.6 反馈（FB）

FB调节电压在不同模式下有不同的值，FB输入偏置电流在特定条件下为 - 75至 + 75nA。

3.7 MODE/SYNC

MODE阈值在不同模式下有不同的取值，SYNC有频率捕获范围、脉冲宽度和阈值等参数。

3.8 电流限制

包括峰值电流限制阈值、失控电流限制阈值、负电流限制比较器电压参考和PFM电流限制阈值等。

3.9 RT

开关频率与RT电阻有关，不同RT电阻值对应不同的开关频率。

3.10 RESET

RESET输出低电平、泄漏电流、输出电压阈值和去断言延迟等都有规定。

3.11 热关断

热关断阈值温度为165°C，热关断迟滞为10°C。

四、典型应用电路

文档中给出了5V输出和3.3V输出的典型应用电路，包括元件参数和连接方式。例如5V输出电路中，输入电压为6.5V - 42V，使用了特定的电感、电容和电阻等元件，通过合理的布局和连接实现稳定的5V输出。

五、工作模式

5.1 PWM模式

在PWM模式下，电感电流允许为负，提供恒定频率操作，适用于对开关频率敏感的应用，但轻载效率较低。

5.2 PFM模式

PFM模式禁用负电感电流，轻载时跳过脉冲以提高效率。其优点是轻载效率高，但输出电压纹波较大，开关频率在轻载时不恒定。

5.3 DCM模式

DCM模式在轻载时不跳过脉冲，仅禁用负电感电流，效率介于PWM和PFM模式之间，能实现比PFM模式更低负载下的恒定频率操作。

六、关键参数设置

6.1 开关频率设置

通过连接从RT到SGND的电阻，可以将MAX17546的开关频率从100kHz编程到2.2MHz，公式为 (R{RT} cong frac{19 × 10^{3}}{f{SW}} - 1.7) ，其中 (R{RT}) 单位为kΩ， (f{SW}) 单位为kHz。

6.2 输入欠压锁定电平设置

通过连接从VIN到SGND的电阻分压器，可以设置器件开启的电压，计算公式为 (R2=frac{R1 × 1.215}{(V{INU} - 1.215)}) ，其中 (V{INU}) 是器件需要开启的电压。

6.3 输出电压调整

通过连接从输出电容正端到SGND的电阻分压器来设置输出电压，先计算 (R3=frac{451 × 10^{3}}{f{C} × C{OUTSEL}}) ，再计算 (R4=frac{R3 × 0.9}{(V{OUT} - 0.9)}) 。

七、元件选择

7.1 输入电容选择

输入电容用于减少电源的峰值电流和输入电压纹波，计算公式为 (C{IN}=frac{I{OUT(MAX)} × D × (1 - D)}{eta × f{SW} × Delta V{IN}}) ，应选择低ESR、高纹波电流能力的陶瓷电容。

7.2 电感选择

电感值由开关频率和输出电压决定，公式为 (L=frac{V{OUT}}{2.2 × f{SW}}) ，同时要选择饱和电流足够高、DC电阻尽可能低的电感。

7.3 输出电容选择

输出电容通常选择X7R陶瓷电容，以支持50%最大输出电流的阶跃负载，最小输出电容计算公式为 (C{OUT}=frac{1}{2} × frac{I{STEP} × t{RESPONSE}}{Delta V{OUT}}) 。

7.4 软启动电容选择

软启动电容用于减少浪涌电流，计算公式为 (C{SS} geq 28 × 10^{-6} × C{SEL} × V{OUT}) ，软启动时间 (t{SS}=C_{SS} / (5.55 × 10^{-6})) 。

八、保护功能

8.1 DL - 到 - LX短路检测

防止DL引脚短路到LX引脚时损坏低端外部FET，若检测到短路，启动序列将不会启动。

8.2 过流保护/打嗝模式

具有逐周期峰值电流限制和失控电流限制，可在过载和输出短路时保护器件。当出现失控电流限制或输出电压下降到标称值的68%（典型值）时，触发打嗝模式，暂停开关操作32,768个时钟周期后尝试重新软启动。也可设置为锁存模式，需要重新给器件供电才能再次启动。

8.3 热关断保护

当结温超过165°C时，芯片的热传感器将关闭器件，结温降低10°C后，器件将软启动重新开启。

九、PCB布局指南

• 减少电感：所有承载脉冲电流的连接应尽可能短且宽，以减少电感，降低辐射EMI。
• 电容放置：陶瓷输入滤波电容应靠近IC的VIN引脚，VCC引脚的旁路电容也应靠近引脚。
• 接地分离：模拟小信号地和开关电流的功率地应分开，在VCC旁路电容的返回端连接。
• 接地平面：接地平面应尽量保持连续，避免高开关电流的走线直接跨越接地平面的不连续处。
• 散热：在器件的裸露焊盘下方提供多个连接到大地平面的热过孔，以提高散热效率。

十、总结

MAX17546是一款功能强大、性能出色的同步降压DC - DC转换器，具有多种优势和特性，适用于工业电源、分布式电源调节、基站电源等多种应用场景。在设计过程中，合理设置关键参数、选择合适的元件和遵循PCB布局指南，能充分发挥其性能，为电子设备提供稳定可靠的电源。你在使用这款转换器时遇到过哪些问题呢？或者对于电源设计还有哪些疑问，欢迎在评论区交流。