深入解析MAX17548：42V双输出同步降压控制器

在电子设计领域，电源管理是至关重要的一环。一款性能出色的降压控制器能够为系统提供稳定、高效的电源供应。今天，我们就来深入了解一下Maxim Integrated推出的MAX17548——一款42V双输出同步降压控制器。

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一、产品概述

MAX17548是一款双输出同步降压控制器，可驱动nMOSFET。它采用峰值电流模式、恒定频率架构，最高工作频率可达2.2MHz。该器件可配置为两个单相、独立的10A电源，也可作为双相、单输出的20A电源。此外，它还能让两个控制器以180°异相运行，减少因输入电容ESR导致的功率损耗和噪声。

1. 应用领域

• 工业电源：为工业设备提供稳定的电源支持。
• 分布式直流电源系统：满足分布式电源系统的需求。
• 运动控制：确保运动控制系统的电源稳定。
• 可编程逻辑控制器：为PLC提供可靠的电源。
• 计算机数控：保障数控系统的正常运行。

2. 产品特性

• 宽范围操作
  • 输入电压范围为4.5V至42V，输出电压范围为0.8V至24V。
  • 支持RSENSE或电感DCR电流检测。
  • 可选择同相或180°异相操作。
  • 开关频率可在100kHz至2.2MHz之间调节。
  • 具有独立的使能和PGOOD信号。
  • 采用无铅32引脚、5mm x 5mm TQFN - EP封装。
• 提高电源效率
  • 低阻抗栅极驱动器，实现高效运行。
  • 轻载时采用DCM模式。
  • 配备辅助自举LDO。
• 在恶劣工业环境中可靠运行
  • 独立可调软启动或跟踪功能。
  • 电流折返限制MOSFET在短路时的散热。
  • 工作温度范围为 - 40°C至 + 125°C。
  • 具备输出过压和过温保护。

二、电气特性

1. 输入电源

• 输入电压范围为4.5V至42V，VCCINT在特定条件下输出电压为4.95V至5.25V。
• 不同条件下的工作电源电流和关断电源电流有明确的参数范围。

2. 振荡器

• 开关频率可通过RT引脚进行编程，范围为100kHz至2.2MHz。
• RT引脚的上拉电流为9.5µA至10.5µA。

3. 门驱动器

• DH和DL引脚的导通电阻在特定条件下有相应的参数。
• DH的最小受控导通时间为120ns至155ns，DL的最小受控关断时间在PWM模式下为80ns至160ns。

4. 软启动

• 软启动电流在Vss = 0.5V时为3.5µA至6.5µA。

5. 使能

• EN引脚的逻辑高阈值为1.2V至1.3V，迟滞为90mV。

6. 电流检测放大器

• CS + 和CS - 引脚的共模电压范围为0至24V，输入工作电压范围为 - 100mV至 + 100mV。
• 电流检测放大器的增益根据ILIM引脚设置不同而变化。

7. 电流限制

• 逐周期峰值正电流限制阈值根据ILIM引脚配置不同而不同。

8. 误差放大器

• 反馈调节电压为788mV至812mV，FB引脚的输入泄漏电流在特定条件下为 - 100nA至 + 100nA。

9. 电源良好输出

• PGOOD引脚的阈值在FB引脚电压上升和下降时有不同的值，输出低电平在特定条件下为0.05V至0.25V。

10. 热关断

• 热关断阈值为160°C，迟滞为20°C。

三、典型工作特性

通过一系列图表展示了MAX17548在不同条件下的效率、电感电流、启动特性、负载瞬态响应等性能。例如，在不同输入电压、输出电压和工作模式下的效率曲线，以及启动到预偏置输出的特性等。这些特性有助于工程师在实际应用中更好地了解和使用该器件。

四、引脚配置与功能

1. 引脚配置

MAX17548采用32引脚TQFN封装，各引脚具有不同的功能。例如，CS1 - 和CS2 - 为电流检测放大器的负输入，RT用于编程开关频率，SEL_PH用于选择相位等。

2. 引脚功能

• 电流检测相关引脚：CS1 + 、CS2 + 、CS1 - 、CS2 - 用于电流检测，连接到电流检测信号的正负极。
• 频率编程引脚：RT引脚通过连接不同的电阻或电压来设置开关频率。
• 相位选择引脚：SEL_PH引脚可选择两个控制器之间的相移。
• 使能引脚：EN1和EN2用于独立控制两个控制器的开启和关闭。
• 反馈和补偿引脚：FB1、FB2、COMP1、COMP2用于反馈电压输入和误差放大器输出及补偿网络连接。
• 软启动引脚：SS1和SS2用于编程输出电压的软启动时间。
• 电源良好引脚：PGOOD1和PGOOD2为开漏输出，用于指示输出电压是否正常。
• 栅极驱动器引脚：DH1、DH2、DL1、DL2用于驱动外部MOSFET。
• 电源引脚：VCCINT为内部LDO输出，VCCEXT为外部电源输入，IN为电源输入，PGND为功率地。

五、详细工作原理

1. 内部LDO（VCCINT）

MAX17548有两个内部100mA低 dropout（LDO）线性稳压器为VCCINT供电。根据VCCEXT的电压水平，其中一个稳压器工作。当VCCEXT电压大于4.7V（典型值）时，VCCINT由VCCEXT稳压器供电；当VCCEXT低于4.55V（典型值）时，VCCINT由IN稳压器供电。VCCINT输出电压为栅极驱动器和内部控制电路供电，并且需要用至少4.7µF的低ESR陶瓷电容进行去耦。同时，IC采用欠压锁定（UVLO）电路，当VCCINT低于3.8V（典型值）时，两个稳压器都关闭；当VCCINT > 4.2V（典型值）时，稳压器重新启用。

2. 低侧栅极驱动器（DL_）

低侧外部MOSFET栅极驱动器由VCCINT供电。在正常工作条件下，低侧栅极驱动器输出（DL）始终是高侧栅极驱动器输出（DH）的互补信号。每个控制器上的专用电路会监控DH_和DL_输出，确保在一个栅极驱动信号完全关闭后，另一个栅极驱动信号才能开启。为了确保栅极驱动器电路正常工作，DL_和DH_引脚到外部MOSFET栅极之间必须有低阻抗路径，在PCB布局中应使用非常短且宽的走线来最小化阻抗。内部下拉晶体管驱动DL_低电平，其导通电阻典型值为0.75Ω，有助于防止在LX_节点快速上升时，由于低侧同步整流MOSFET的漏极到栅极的电容耦合而使DL_被拉高。

3. 高侧栅极驱动器（DH_）

高侧栅极驱动器由连接在BST_和LX_之间的自举电容供电。在每个开关周期中，当低侧MOSFET导通时，自举电容通常通过外部肖特基二极管充电至VCCINT。通过闭合BST_和DH_之间的内部开关来开启高侧MOSFET，为其提供必要的栅源电压。在选择自举电容大小时，可参考相关章节。

4. 关断和启动（EN和SS）

IC的两个控制器可以通过EN1和EN2引脚独立关断和启用。将这些引脚拉低至1.25V（典型值）以下会关闭相应的控制器；将EN1和EN2都拉低至0.7V以下会禁用两个控制器和大多数内部电路，包括VCCINT LDO，此时器件的静态电流仅为10µA（典型值）。EN_引脚可以开路或外部上拉至1.25V（典型值）至5.5V之间的电压来开启相应的控制器。

每个控制器的输出电压启动由相关的SS_引脚电压控制。当SS_引脚电压低于0.8V内部参考电压时，器件将FB_电压调节到SS_引脚电压，而不是0.8V内部固定参考电压。通过将外部电容从SS_引脚连接到GND，可以使用SS_引脚来编程输出电压的软启动时间。内部5µA上拉电流对该电容充电，在SS_引脚上产生电压斜坡，随着SS_电压从0线性上升到0.8V，输出电压从0平稳上升到最终值。此外，SS_引脚还可以用于在启动时跟踪另一个电源的输出，这需要将SS_引脚连接到一个从需要跟踪的电源到GND的外部电阻分压器。

5. 轻载电流操作（SKIP）

MAX17548可以配置为不连续导通（DCM）模式以实现高光载效率，或固定频率脉冲宽度调制（PWM）模式。选择DCM模式时，将SKIP引脚连接到1.25V至VCCINT - 1.5V之间的直流电压；选择PWM模式时，将SKIP引脚连接到VCCINT。

DCM模式

在DCM模式下，IC在每个开关周期中接近电感电流过零点时关闭调节器的低侧MOSFET，从而最小化电感中的负电流，减少从输出到输入的电流流动导致的损耗。因此，每个周期的电感电流是一个三角波形，其峰值与负载电流需求成正比。控制器在调整电感中的峰值电流以适应负载和输入电压变化时以恒定频率运行。然而，在轻载和/或高输入电压条件下，控制器存在最小导通时间约束。最小导通时间是控制器能够产生的最小可控脉冲宽度，这对电感中可编程的峰值电感电流施加了下限，并导致一定量的能量被输送到输出，而不管负载的能量需求如何。如果负载使得在最小导通时间内输送的能量超过负载能量，输出电压将高于其标称设定值，从而导致跳过开关周期以将平均输出电压调节到设定点。这种操作导致有效开关频率低于编程的开关频率，从而提高了调节器效率。当负载电流增加到电感电流谷值高于零的点时，调节器操作进入PWM模式。

PWM模式

当SKIP连接到VCCINT时，器件的每个控制器都在PWM模式下运行。在这种模式下，电感电流允许为负。在正常工作条件下，高侧MOSFET在内部时钟的边缘开启。内部误差放大器将FB_引脚的反馈电压与固定的内部参考电压进行比较，并产生误差电流。该误差电流流经COMP_引脚的补偿网络，并为内部电流环路生成控制电压。开关周期中高侧MOSFET的导通时间通过将COMP引脚的控制电压与CS + 、CS_ - 处的电流检测电压和内部斜率补偿电压之和进行比较来确定。在高侧MOSFET导通期间，电感电流上升；高侧MOSFET关闭后，低侧MOSFET开启，电感电流下降。低侧MOSFET保持导通直到下一个时钟边缘。PWM模式的优点是输出电压纹波低和恒定频率运行，这在对工作频率敏感的应用中非常有益。在DCM模式部分描述的最小导通时间条件下，器件在PWM模式下也会跳过高侧开启事件，以调节输出电压，这导致电感电流和输出电压纹波波形的低频运行。

6. 频率选择（RT）

开关频率的选择是效率和组件尺寸之间的权衡。低频操作通过减少MOSFET开关损耗和栅极驱动损耗来提高效率，但需要更大的电感和/或电容来保持低输出纹波电压。器件的开关频率可以使用RT引脚在100kHz至2.2MHz之间编程。将RT连接到VCCINT可编程默认频率为535kHz的开关频率，连接到GND可编程350kHz的开关频率。可以使用公式 (R{RT}=frac{f{SW}+133}{8.8}) 来计算给定开关频率所需的电阻。

7. 0至180°相位操作

IC允许用户配置器件两个输出通道之间的相移。根据SEL_PH引脚的设置，可以选择不同的相移配置。当SEL_PH连接到VCCINT时，LX1/LX2为0°/0°；当SEL_PH开路时，LX1/LX2为0°/180°。180°相移操作的优点包括减少输入和输出电容的RMS电流以及降低输入电压纹波。

8. 输出过压保护

输出过压保护电路在输出过压条件下保护负载。如果输出电压上升超过其标称值的10%，高侧MOSFET将关闭，直到过压条件消除。低侧MOSFET在输出过压条件下的状态取决于所选的操作模式。如果选择PWM模式，低侧MOSFET将保持导通直到过压条件消除，此时通过低侧MOSFET的电流可能会达到较大值，具体取决于过压量和输出电容。如果选择DCM模式，当电感电流达到零时，低侧MOSFET将关闭，并且每10个时钟周期开启一次以刷新BST_电容，这会导致略微负的平均电感电流，除了存在的负载电流外，还可以缓慢放电输出。

9. 电源良好（PGOOD1和PGOOD2）引脚

IC具有独立的开漏电源良好（PGOOD1、PGOOD2）引脚。当相应的FB_引脚电压在0.8V参考电压的±10%范围之外时，PGOOD_引脚拉低。在软启动期间，PGOOD_为低电平。当FB_引脚电压在参考电压的 - 10%范围内时，PGOOD_可以通过外部电阻上拉至不大于6V的电源电压。

10. 折返电流限制

在过载条件下，当输出电压降至其标称水平的70%以下时，折返电流限制将被激活。在这种模式下，峰值电感电流将从编程值的100%逐步降低到50%，与FB_电压成比例。在软启动期间，折返电流限制模式被禁用。

11. 峰值电流限制编程（ILIM）

IC根据ILIM引脚设置提供逐周期峰值电流限制。ILIM是一个三级逻辑输入，不同的ILIM引脚配置对应不同的逐周期峰值正电流限制阈值和电流检测放大器增益。在过载或短路条件下，IC将电流检测引脚两端的逐周期峰值电流检测电压调节到使用ILIM引脚设置的峰值电流限制阈值，直到输出电压降至其标称值的约70%。如果输出电压降至其标称值的70%以下，折返电流限制操作将开始，此时峰值电流限制阈值将与输出电压的下降成比例降低，如在FB_引脚处测量的那样。

12. 启动到预偏置输出

IC支持单调启动到预偏置输出电压。在启动期间，如果FB_引脚电压高于SS_引脚电压，高侧MOSFET将保持关闭，低侧MOSFET每10个时钟周期开启150ns以刷新BST_电容，这会导致略微负的平均电感电流，可缓慢放电输出。一旦SS_引脚电压达到FB_电压，正常软启动操作将开始，输出电压将从预偏置值平稳上升。

六、应用信息

1. 设置输入欠压锁定电平

EN_引脚可以用作输入欠压锁定检测器，典型迟滞为100mV。通过将电阻分压器连接到相应的EN引脚，从IN到GND，可以设置IC每个控制器开启的输入电压。计算公式为 (R1 = R2 × frac{(VIN{UVLO}-1.25)}{1.25}) ，其中 (VIN_{UVLO}) 是控制器应启用的输入电压。

2. 设置输出电压

每个控制器的输出电压通过将电阻分压器连接到FB_引脚，从相应的输出到GND来设置。选择R1时，需要考虑FB泄漏对输出电压的偏移，计算公式为 (R1 leq frac{alpha}{I{FB}}) ，其中 (I_{FB}) 是FB泄漏电流（最大±100nA）。计算R2的公式为 (R2 = frac{R1}{(frac{V{OUT}}{0.8}-1)}) 。

3. 软启动电容

软启动时间通过将电容从SS_引脚连接到GND来编程。内部5µA电流源对SS引脚的电容充电，为输出电压参考提供线性斜坡电压。软启动时间的计算公式为 (t{SS}=C_{SS} × frac{0.8V}{5mu A}) 。

4. 电感选择

选择输出电感时，需要指定三个关键参数：电感值（L）、电感饱和电流（ISAT）和电感的直流电阻（DCR）。所需的电感值（L）根据电感峰峰值纹波交流