MAX8513/MAX8514：宽输入、高频三输出电源芯片的全面解析

在现代电子设备中，稳定且高效的电源管理至关重要，尤其是对于xDSL调制解调器、路由器、网关和机顶盒等设备。Maxim Integrated推出的MAX8513/MAX8514宽输入、高频三输出电源芯片，集成了电压模式PWM降压DC - DC控制器、两个LDO控制器、电压监视器和上电复位功能，为这些设备提供了低成本的电源解决方案。

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一、产品概述

MAX8513/MAX8514集成度高，能为xDSL调制解调器、路由器、网关和机顶盒等提供稳定的电源和监控功能。其DC - DC控制器的开关频率可通过外部电阻在300kHz至1.4MHz之间调节，能根据不同需求优化成本、尺寸和效率。对于对噪声敏感的应用，还可同步到外部时钟，减少噪声干扰。此外，该芯片还具备可调节的软启动和折返电流限制功能，提供可靠的启动和故障保护。

二、产品特性

（一）电源控制与调节

• 宽输入范围：支持4.5V至28V的输入电压，适应多种电源环境。
• 可调节开关频率：300kHz至1.4MHz的可调范围，能在不同场景下实现成本、尺寸和效率的平衡。
• 低噪声设计：适用于高数据速率xDSL应用，减少噪声对系统的影响。
• 同步功能：可同步到外部时钟，进一步降低噪声干扰。

（二）保护与监控

• 可调节软启动：避免启动时的电流冲击，保护电路元件。
• 无损可调折返电流限制：在短路或过载时，降低电流以保护芯片和外部元件。
• 上电复位：具有140ms延迟，确保所有输出达到稳定后再发出复位信号。
• 输入电源故障警告：可设置可调的输入电源故障警告，用于系统的有序关机。

（三）输出配置

• 输出电压排序或跟踪：可选择输出电压的上电顺序或实现输出电压跟踪，满足不同系统需求。

三、电气特性

（一）输入与电源

• 输入电压范围：一般为5.5V至28V，当IN = VL时为4.5V至5.5V。
• 输入电源电流：在不同条件下有不同的值，如在特定条件下，输入电源电流为2.6mA至3.2mA，关机电流为200μA至300μA。

（二）各输出端特性

• OUT1（降压转换器）：输出电压范围为1.25V至5.5V，具有多种电气参数，如FB1调节阈值、误差放大器开环电压增益等。
• OUT2（正LDO）：SUP2工作范围为4.5V至28.0V，具有特定的调节电压、输入偏置电流等参数。
• OUT3P（正PNP LDO，仅MAX8513）：DRV3P工作范围为1V至28V，有相应的调节电压和跨导参数。
• OUT3N（负NPN LDO控制器，仅MAX8514）：SUP3N工作范围为1.5V至5.5V，具备特定的调节电压和跨导特性。

（三）其他特性

• 参考电压：REF输出电压在特定电流范围内为1.231V至1.269V。
• 振荡器：频率可通过RFREQ电阻调节，不同电阻值对应不同的频率范围。

四、工作原理

（一）DC - DC控制器

采用PWM电压模式控制方案，通过内部高带宽（25MHz）运算放大器作为误差放大器，将输出电压与内部1.25V参考电压比较，生成误差信号，再与固定频率斜坡比较，确定合适的占空比以维持输出电压稳定。在内部时钟上升沿且低侧MOSFET栅极驱动为0V时，高侧MOSFET导通；当斜坡电压达到误差放大器输出电压时，高侧MOSFET锁止关闭，直到下一个时钟脉冲。

（二）电流限制

可通过电感的直流电阻进行无损电流检测，或通过串联电阻进行更精确的检测。当检测电路的峰值电压超过由ILIM设置的电流限制阈值时，控制器关闭高侧MOSFET并打开低侧MOSFET。电流限制阈值可通过两个外部电阻设置，实现折返电流限制和短路保护。

（三）同步整流驱动器（DL）

用低导通电阻的MOSFET开关代替普通肖特基续流二极管，降低整流器的导通损耗，同时确保升压栅极驱动电路的正常启动。

（四）高侧栅极驱动电源（BST）

通过飞电容升压电路为高侧N沟道MOSFET生成栅极驱动电压。启动时，同步整流器（低侧MOSFET）将LX接地，对升压电容充电；在第二个半周期，控制器通过闭合BST和DH之间的内部开关打开高侧MOSFET。

（五）内部5V线性稳压器

除正输出LDO（带NFET或NPN）和负LDO（MAX8514）外，所有功能均由片上低压差5V稳压器供电，其输入连接到IN。当VIN大于5.5V时，VVL通常为5V；当VIN在4.5V至5.5V之间时，需将VL短接到IN。

（六）欠压锁定

当VVL降至3.8V以下时，欠压锁定（UVLO）电路禁止开关操作，强制POR和PFO为低电平，强制DL和DH栅极驱动器为低电平。当VVL升至3.9V以上时，控制器为输出上电。

（七）启动

当VVL超过3.9V的UVLO阈值，且满足内部参考电压超过其标称值的90%、未超过热限制这两个条件时，降压控制器开始开关并启用软启动。软启动电路逐渐升至参考电压，控制降压控制器的上升速率，减少输入浪涌电流。

（八）输出电压排序与跟踪

• 输出电压排序：将SEQ连接到GND，可实现交错输出排序。此时，VOUT1先上升，达到标称调节值的90%时，VOUT2软启动；VOUT2达到标称调节值的90%时，VOUT3软启动。
• 输出电压跟踪：将SEQ连接到VL，所有输出同时上升，外部串联调整晶体管在达到各自的调节限制之前完全导通，LDO的输出跟踪DC - DC降压输出（OUT1）。

（九）上电复位

当所有输出达到其标称调节值的90%后315ms，上电复位（POR）信号变为高电平，表明所有输出已稳定在标称调节电压。

（十）输入电源故障检测（PFI和PFO）

通过内置比较器和外部电阻分压器检测输入电压，当输入电压下降并触发比较器时，电源故障输出（PFO）变为低电平，用于输入电源故障警告，实现系统的有序关机。

（十一）启用与同步

可通过SYNC/EN引脚的高低电平控制芯片的开关状态。当SYNC/EN由外部时钟驱动时，内部振荡器将SYNC/EN时钟的上升沿与DH的高电平同步，控制器在两个周期内与外部时钟同步，且SYNC/EN的频率需在RFREQ设置值的±30%范围内。

五、设计要点

（一）元件选择

• 电感：根据输出电压、输入电压、开关频率和最大输出电流等参数选择合适的电感值。电感值计算公式为： [L=frac{V{OUT 1} timesleft(V{IN }-V{OUT 1}right)}{V{IN } times f{S} times I{OUT1_MAX } times LIR }]
• 输入电容：用于减少从电源汲取的峰值电流，降低输入电压的纹波。推荐使用陶瓷电容，其具有低ESR和ESL，成本相对较低。对于需要输入电源故障警告的应用，需添加一个大值电解电容作为本地储能装置。输入电容的选择需满足纹波电流要求，其计算公式为： [I{IN_RMS}=frac{I{OUT1} times V{OUT 1} timesleft(V{IN }-V{OUT 1}right)}{V{IN }}]
• 输出电容：关键参数包括实际电容值、等效串联电阻（ESR）、等效串联电感（ESL）和电压额定值。这些参数会影响输出的稳定性、纹波电压和瞬态响应。输出纹波由电容存储电荷的变化、电容ESR上的电压降和ESL上的电压降组成，计算公式如下： [V{RIPPLE(ESR) }=I{P-P } times R{ESR}] [V{RIPPLE(C)}=frac{I{P-P}}{8 times C{OUT } times f{S}}] [V{RIPPLE(ESL)}=frac{V{IN} times ESL}{L1A + ESL}] [I{P - P}=left(frac{V{IN}-V{OUT 1}}{f{S} L}right)left(frac{V{OUT 1}}{V{IN}}right)] [V{RIPPLE }=V{RIPPLE(C)}+V{RIPPLE(ESR) }+V_{RIPPLE(ESL) }]
• MOSFET：根据输出电流、耐压、导通电阻等参数选择合适的MOSFET。同时，需考虑MOSFET的开关损耗和驱动能力，相关功率损耗计算公式如下： [P{Q 2 C C}=left(1-frac{V{OUT 1}}{V{IN }}right) times I{OUT 1}^2 times R{DS_o N}] [P{Q 2 D C}=2 times I{OUT 1} times V{F} times t{d t} times f{S}] [P{Q 2} TOTAL =P{Q 2 CC}+P{Q 2 DC}] [P{Q 1 C C}=frac{V{OUT 1}}{V{IN }} times I{OUT 1} times R{DS_ON }] [P{Q 1 S W}=V{IN} times I{OUT 1} times f{S} times frac{left(Q{G S}+Q{G D}right)}{I{GATE }}] [I{GATE }=frac{2.5 V}{left(R{DH}+R{GATE}right)}] [P{Q 1 D R}=Q{G S} times V{G S} times f{S} times frac{R{G A T E}}{left(R{G A T E}+R{D H}right)}] [P{Q 1}=P{Q 1 C C}+P{Q 1 S W}+P_{Q 1 D R}]

（二）电流限制设置

• 折返电流限制：通过外部电阻分压器（R17和R18）从VOUT1连接到ILIM再到GND设置电流限制阈值。首先选择折返电流限制比（PFB），通常设置为0.5，然后根据以下公式计算R17和R18的值： [P{FB}=frac{I{LIMIT@0V }}{I{LIMIT }}] [R 17=frac{left(P{F B} times V{OUT 1}right)}{4.7 mu A timesleft(1-P{F B}right)}] [R 18=frac{left(7.5 times R{CS_MAX } times I{LIMIT } timesleft(1-P{FB}right)right) times R 17}{V{OUT 1}-left(7.5 times R{CS_MAX } times I{LIMIT } timesleft(1-P_{FB}right)right)}]
• 恒定电流限制：将ILIM连接到VL可实现默认的170mV（典型值）电流限制阈值。选择的检测电阻值需满足： [R{CS_MAX } times I{LIMIT }<151 mV]

（三）补偿设计

根据输出电容的类型（陶瓷或电解）和开关频率，采用不同的补偿设计方法，以确保系统的稳定性和高带宽。

• 陶瓷输出电容（fc < fZESR，适用于高开关频率）： [G{MOD(fc)}=G{MOD(DC)}left(frac{f{PMOD}}{f{C}}right)^{2}] 误差放大器的增益在fc处需有+20dB/decade的斜率，通过设置合适的零点和极点频率来实现。 [f{Z 1}=frac{1}{2 pi times R 3 times C 5}] [f{Z 2}=frac{1}{2 pi times(R 1+R 4) times C 11}] [f{P 2}=frac{1}{2 pi times R 4 times C 11}] [f{P 3}=frac{1}{2 pi times R 3 timesleft(frac{C 5 times C 12}{C 5+C 12}right)}]
• 电解输出电容（fc > fZESR，适用于低开关频率）： [G{MOD(fc)}=G{MOD(DC)}frac{f{PMOD}^2}{f{ZESR} times f_{C}}] 误差放大器的增益在fc处需有0dB/decade的斜率，同样通过设置合适的零点和极点频率来实现。

（四）线性稳压器设计

• OUT2电压选择：通过连接电阻分压器（R5和R6）从OUT2到FB2再到GND来设置输出电压，同时确定最小输出电流。 [I{OUT2_MAX }/I{OUT2_MIN } = 333] [I{OUT2_MIN }=frac{0.8V}{R6}] [R5 = R6 timesleft(frac{V{OUT2}}{0.8V}-1right)]
• OUT2稳定性：采用跨导放大器驱动NMOS晶体管的栅极，输出电容（C6）用于旁路输出，反馈电阻（R5和R6）设置输出电压参考点和最小负载。通过合理选择补偿电容（CA）和电阻（RA）来确保系统的稳定性和良好的瞬态响应。

（五）PCB布局

• 去耦电容：尽可能靠近IC引脚放置，以减少电源噪声。
• 接地平面：将功率接地平面和信号接地平面分开，最后在IC处单点连接。
• 反馈连接：确保所有反馈连接短而直接，反馈电阻尽量靠近IC。
• 高速节点：将高速开关节点远离敏感模拟区域，避免干扰。
• 电流检测路径：CSP和CSN的电流检测路径应平行且靠近，以消除噪声拾取。

六、应用场景

MAX8513/MAX8514适用于多种需要稳定电源供应和监控的设备，如xDSL调制解调器、电缆调制解调器、ISDN调制解调器、路由器、无线接入点、机顶盒等。其宽输入范围、可调节开关频率和多种保护功能，使其能满足不同应用的需求。

总之，MAX8513/MAX8514是一款功能强大、性能稳定的电源管理芯片，在设计过程中，工程师需根据具体应用需求，合理选择元件、设置参数和进行PCB布局，以充分发挥其优势，实现高效、稳定的电源供应。你在使用这款芯片的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流分享。