MAX17559：60V双输出同步降压控制器的深度解析

在工业电源、分布式直流电源系统等领域，一款性能出色的降压控制器至关重要。今天我们要深入探讨的是Maxim Integrated推出的MAX17559，一款60V双输出同步降压控制器，它在宽输入电压范围、高效能以及可靠运行等方面表现卓越。

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一、产品概述

1. 基本功能

MAX17559是一款双输出同步降压控制器，能够驱动nMOSFET。它采用恒定频率、峰值电流模式架构，两个输出可配置为独立电压轨。通过让两个输出以180°异相运行，可最大程度减小输入电容的尺寸。

2. 应用领域

该控制器适用于多种场景，如工业电源、分布式直流电源系统、运动控制、可编程逻辑控制器以及计算机数控等。

3. 特性亮点

• 宽范围操作：输入电压范围为4.5V至60V，输出电压范围为0.8V至24V；支持RSENSE或电感DCR电流检测；固定180°异相运行；开关频率可在100kHz至2.2MHz之间调节；具备独立使能和PGOOD功能；采用无铅7mm x 7mm、32引脚TQFP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。
• 恶劣工业环境可靠运行：独立可调软启动/停止或跟踪功能；电流可选折返或锁存限制，可降低短路时MOSFET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、电气特性分析

1. 输入电源特性

输入电压范围为4.5V至60V，不同工作条件下的工作电源电流有所不同。例如，在SKIP = open，LX = PGND，BST = 5V等特定条件下，电流值在0.5mA至5mA之间变化。关机时，供应电流仅为10µA至20µA。

2. VCCINT稳压器特性

VCCINT输出电压在不同输入电压和负载条件下有相应的范围。如在6V < VIN < 60V，IVCCINT = 1mA时，输出电压为4.95V至5.25V。同时，还具备负载调节、短路输出电流、压降电压等特性。

3. 振荡器特性

开关频率可通过RT引脚进行编程，不同RT值对应不同的开关频率。例如，RT = 62kΩ时，开关频率为405kHz至475kHz；RT = VCCINT时，为480kHz至590kHz；RT = GND时，为325kHz至375kHz。

4. 其他特性

包括栅极驱动器的导通电阻、最小导通和关断时间、死区时间、软启动/停止电流、使能逻辑阈值等一系列电气特性，这些特性共同保证了控制器的稳定运行。

三、典型工作特性

1. 效率与输出电流关系

在不同输出电压（如5V、3.3V）和工作模式（PWM、DCM）下，效率随输出电流的变化呈现出不同的曲线。一般来说，随着输出电流的增加，效率会先上升后趋于稳定。

2. 启动特性

能够从使能状态启动，并且可以在预偏置输出电压下实现单调启动。在启动过程中，输出电压能够平稳上升，确保系统的稳定运行。

3. 负载瞬态响应

在负载电流发生变化时，如从0.1A到7.5A、从0A到4A等，输出电压能够快速响应并恢复到稳定值，保证了系统在负载变化时的稳定性。

4. 过流保护

当出现短路等过流情况时，控制器能够及时响应，通过关闭高端MOSFET等方式保护电路，确保系统的安全。

四、引脚配置与功能

1. 引脚配置

MAX17559采用32引脚TQFP封装，各引脚具有特定的功能。例如，CS1 -、CS2 -为电流检测信号的负端；RT用于开关频率编程；ILIM1、ILIM2为电流限制选择输入等。

2. 引脚功能详解

• 电流检测引脚（CS+、CS-）：用于检测电流，可采用外部电流检测电阻或电感DCR进行电流检测。
• 开关频率编程引脚（RT）：通过连接不同的电阻到GND或VCCINT，可设置不同的开关频率。
• 使能引脚（EN1、EN2）：可独立控制两个控制器的开启和关闭，拉低引脚电压可关闭相应控制器。
• 软启动/停止引脚（SS1、SS2）：通过连接电容到GND，可控制输出电压的软启动/停止时间，也可用于跟踪其他电源的输出。
• 电源良好引脚（PGOOD1、PGOOD2）：当相应的FB_引脚电压在0.8V参考电压的±10%范围内时，引脚可被上拉，指示电源正常。

五、详细工作原理

1. 内部LDO（VCCINT）

IC内部有两个100mA的低压差线性稳压器为VCCINT供电，根据VCCEXT的电压水平，自动选择由IN或VCCEXT供电。VCCINT为栅极驱动器和内部控制电路供电，并且具备欠压锁定（UVLO）功能，当VCCINT低于3.8V时，两个稳压器均关闭，高于4.2V时重新开启。

2. 低侧栅极驱动器（DL_）

由VCCINT供电，正常工作时，DL_输出始终与DH_输出互补。专门的电路会监控DH_和DL_输出，防止两个栅极驱动信号同时开启，确保电路安全运行。

3. 高侧栅极驱动器（DH_）

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，为高端MOSFET提供开启所需的栅源电压。

4. 关机和使能（EN_）

通过EN1和EN2引脚可独立关闭和开启两个控制器。将引脚拉低至1.25V以下可关闭相应控制器，拉低至0.7V以下可关闭两个控制器和大部分内部电路，此时静态电流仅为10µA。将引脚拉高至1.25V至5.5V之间可开启相应控制器。

5. 软启动/停止（SS_）

通过SS_引脚的电压控制每个控制器输出电压的软启动/停止时间。当SS_引脚电压低于0.8V内部参考电压时，设备将FB_电压调节至SS_引脚电压。通过连接外部电容到GND，利用内部5µA的充放电电流，可实现输出电压的平稳上升和下降。此外，SS_引脚还可用于跟踪其他电源的输出。

6. 轻载电流操作（SKIP）

可配置为不连续导通模式（DCM）以提高轻载效率，或固定频率脉冲宽度调制（PWM）模式。连接SKIP引脚到1.25V至VCCINT - 1.5V之间的直流电压可选择DCM模式，连接到VCCINT可选择PWM模式。

• DCM模式：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，减少电感中的负电流，降低损耗。在轻载或高输入电压条件下，可能会跳过开关周期以调节输出电压，提高效率。
• PWM模式：当SKIP连接到VCCINT时，控制器工作在PWM模式。电感电流允许为负，具有输出电压纹波小和频率恒定的优点。在最小导通时间条件下，也会跳过高端开启事件以调节输出电压。

7. 频率选择（RT）

开关频率的选择需要在效率和元件尺寸之间进行权衡。通过RT引脚可将开关频率编程在100kHz至2.2MHz之间。连接RT到VCCINT可设置默认频率为535kHz，连接到GND可设置为350kHz。

8. 180°相位操作

两个输出通道之间采用固定180°相移操作，可降低输入和输出电容的RMS电流，减少输入电压纹波。

9. 输出过压保护

当输出电压超过其标称值的10%时，高端MOSFET关闭，直到过压条件消除。在不同工作模式下，低侧MOSFET的状态不同。PWM模式下，低侧MOSFET保持导通；DCM模式下，电感电流为零时关闭，每10个时钟周期开启一次以刷新BST_电容。

10. 功率良好（PGOOD1和PGOOD2）引脚

独立的开漏功率良好引脚，当相应的FB_引脚电压在0.8V参考电压的±10%范围之外时，引脚拉低。软启动期间，引脚为低电平；FB_引脚电压在参考电压的- 10%范围内时，可通过外部电阻上拉至不超过6V的源电压。

11. 限流操作（ILIMSEL）

根据ILIMSEL引脚的配置，在限流条件下有两种可选操作模式：

• 折返模式（ILIMSEL浮空）：过载时，输出电压降至标称值的70%以下时，电感峰值电流按比例从编程值的100%降低至50%。软启动/停止期间该模式禁用。
• 锁存模式（ILIMSEL接地）：过流时，输出电压降至设定值的70%以下，控制器进入锁存模式，高低端MOSFET均关闭。软启动期间该模式不激活，需重新激活EN_引脚或IC电源才能恢复工作。

12. 峰值电流限制编程（ILIM_）

每个控制器的峰值电流限制阈值可独立调节。通过连接电阻从ILIM_到GND可编程电流限制，电阻值可根据公式计算得出。同时，根据ILIM_引脚配置，有两种可选的逐周期正电流限制阈值。

13. 预偏置输出启动

支持在预偏置输出电压下单调启动。启动时，若FB_引脚电压高于SS_引脚电压，高端MOSFET关闭，低侧MOSFET每10个时钟周期导通150ns以刷新BST_电容，使输出缓慢放电。当SS_引脚电压达到FB_引脚电压时，进入正常软启动操作，输出电压从预偏置值平稳上升。

14. 工作输入电压范围

对于降压转换器，需根据输出电压、最大负载电流、电感直流电阻、最大开关频率、MOSFET导通电阻等参数计算最小和最大工作输入电压。

15. 热过载保护

当芯片结温超过+160°C时，片上热传感器关闭设备，待温度降低20°C后重新开启，重启时采用软启动。

六、应用信息

1. 设置输入欠压锁定电平

可将EN_引脚用作输入欠压锁定检测器，通过连接电阻分压器到相应的EN_引脚，可设置每个控制器开启的输入电压。

2. 设置输出电压

通过连接电阻分压器到FB_引脚，可设置每个控制器的输出电压。根据FB_引脚的漏电流和所需的输出电压偏移，选择合适的R1电阻值，再根据公式计算R2电阻值。

3. 软启动/停止电容

通过在SS_引脚连接电容到GND，可编程软启动/停止时间。内部5µA电流源对电容进行充放电，提供线性斜坡电压以控制输出电压参考。

4. 电感选择

选择输出电感时，需考虑三个关键参数：电感值、电感饱和电流和电感直流电阻。根据电感峰峰值纹波交流电流与直流平均电流的比值、输入电压、输出电压和开关频率，计算所需的电感值。同时，确保电感饱和电流大于最大电感峰值电流。选择较低DCR的电感可提高效率，但需考虑电流检测引脚所需的最小峰峰值电流检测信号。

5. 电流检测

CS+和CS-引脚为内部电流检测放大器的输入，可采用外部电流检测电阻或电感DCR进行电流检测。根据所需的电流检测电阻、负载电流和电感纹波电流，计算电流检测电阻值。同时，需确保电流检测纹波电压在合适的范围内，以保证良好的信噪比和最小的占空比抖动。

6. 输入电容选择

输入滤波电容可减少从电源吸取的峰值电流，降低输入电压纹波。使用低ESR陶瓷电容，根据负载电流、输入输出电压比、效率和开关频率，计算所需的输入电容值和RMS电流要求。

7. 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。这些参数影响系统的稳定性、输出电压纹波和瞬态响应。根据电感峰峰值纹波电流和开关频率，计算输出电压纹波的两个分量，进而确定所需的输出电容值和ESR。

8. 环路补偿

IC使用内部跨导误差放大器，其反相输入和输出可供用户进行外部频率补偿。根据输出电感、输出电容、所需的交越频率、电流检测放大器增益、有效电流检测电阻、内部跨导放大器增益和输出电压反馈分压增益，计算补偿电阻和电容的值。

9. 自举电容选择

根据高端MOSFET的总栅极电荷和允许的电压变化，选择合适的自举电容值。建议使用低ESR陶瓷电容，最小电容值为100nF。

10. MOSFET选择

每个控制器驱动两个外部逻辑电平nMOSFET，选择时需考虑导通电阻、最大漏源电压、米勒平台电压、总栅极电荷、输出电容、功率耗散额定值和封装热阻等参数。同时，根据输出电压和输入电压计算高低侧MOSFET的占空比，并根据公式估算MOSFET的损耗，确保损耗不超过其功率额定值。

11. 功率耗散计算

根据是否使用VCCEXT为VCCINT供电，分别使用不同的公式计算IC的近似损耗。同时，根据热阻和环境温度计算IC的结温，确保结温不超过+125°C。

七、PCB布局指南

1. 电容放置

将输入旁路电容尽可能靠近高端MOSFET的漏极和低端MOSFET的源极；将IN、VCCINT、VCCEXT旁路电容和BST_电容靠近IC引脚。

2. 二极管放置

如果在低端MOSFET上使用外部肖特基二极管，应将其紧靠在低端MOSFET旁边。

3. 信号布线

将高速开关节点（BST、LX、DH、DL）远离敏感的模拟区域（RT、COMP、CS、FB_）；栅极电流走线应短而宽，必要时使用多个小过孔进行层间布线；电流检测线应平行、短且相邻，以减小回路面积；将电流检测滤波电容靠近IC电流检测引脚，并放置在IC的同一侧。

4. 组件分组

将所有与GND相关和反馈组件靠近IC；尽量减小FB_和补偿网络的布线面积，以防止噪声拾取。

5. 功率组件布局

如果可能，将所有功率组件放置在电路板的顶层，仅使用顶层的走线或铜填充来传导功率级电流，避免使用过孔；缩短功率走线和负载连接，以提高效率；使用厚铜PCB（2oz或更高）来增强效率，减小走线电感和电阻。

6. 接地布局

在顶层布置一个大的PGND铜区域用于输出，将输入旁路电容、输出电容和低端MOSFET的源极连接到该区域。

八、典型应用电路

文档中给出了两种典型应用电路，一种是基于电阻电流检测的宽输入电压、高效5V和3.3V输出降压转换器，另一种是基于电感DCR电流检测的相同规格转换器。这些电路为实际应用提供了参考，工程师可以根据具体需求进行调整和优化。

综上所述，MAX17559是一款功能强大、性能优越的双输出同步降压控制器。在实际设计中，工程师需要根据具体应用场景，综合考虑其电气特性、工作原理、元件选择和PCB布局等方面，以充分发挥其优势，实现高效、稳定的电源设计。你在使用MAX17559或类似控制器的过程中，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。