深入解析MAX8597/MAX8598/MAX8599：低 dropout、宽输入电压降压控制器

一、引言

在电子设计领域，电源管理是一个至关重要的环节。对于需要高效、稳定电源转换的应用场景，降压控制器起着关键作用。MAXIM推出的MAX8597/MAX8598/MAX8599电压模式PWM降压控制器，以其独特的性能和丰富的功能，成为众多工程师的首选。今天，我们就来深入了解一下这三款控制器。

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二、产品概述

2.1 基本特性

MAX8597/MAX8598/MAX8599设计用于4.5V至28V的输入电源，能够产生低至0.6V的输出电压。其采用的专有开关算法可将占空比扩展至>99.5%，实现低dropout设计。与传统使用p沟道高端MOSFET实现高占空比的降压调节器不同，这三款控制器驱动n沟道MOSFET，从而实现高效率和高电流能力的设计。

2.2 产品差异

• MAX8597：采用20引脚薄型QFN封装，适用于使用模拟信号控制输出电压并具有可调偏移的应用，如直流风扇速度控制。它还针对芯片组、ASIC和DSP核心以及I/O电源的跟踪输出电压应用进行了优化。此外，它内部有一个未使用的运算放大器，可实现更多功能。
• MAX8598/MAX8599：采用16引脚薄型QFN封装，没有未使用的运算放大器、参考输入和参考输出，但提供开漏、电源正常输出（POK），便于进行电源排序。其中，MAX8599还具备输出过压保护功能。

三、电气特性

3.1 绝对最大额定值

在使用这三款控制器时，必须注意其绝对最大额定值。例如，V+和ILIM到GND的电压范围为 -0.3V至 +30V，AVL和VL到GND的电压范围为 -0.3V至 +6V等。超出这些额定值可能会对设备造成永久性损坏。

3.2 电气参数

涵盖了各种参数，如V+的工作范围为5.5V至28.0V，VL调节器的输出电压在5.5V < VV+ < 28V、1mA < ILOAD < 35mA时为4.7V至5.3V等。这些参数为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据。

四、工作原理

4.1 DC - DC控制器

采用PWM电压模式控制方案，内部高带宽（25MHz）运算放大器作为误差放大器来调节输出电压。通过将输出电压与内部0.6V参考或REFIN（MAX8597）进行比较，生成误差信号，再与固定频率斜坡进行比较，以确定合适的占空比，从而维持输出电压的稳定。

4.2 电流限制

通过检测峰值电感电流来实现恒流和打嗝电流限制。当感测元件两端的电压超过由ILIM设置的电流限制阈值时，控制器立即关闭高端MOSFET，低端MOSFET开启，让电感电流下降。当FB下降到其标称阈值的30%以下时，输出欠压保护触发，控制器进入打嗝模式，以限制功耗。

4.3 同步整流器驱动（DL）

同步整流通过用低电阻MOSFET开关代替普通肖特基捕获二极管，降低了整流器中的传导损耗。同时，它还确保了升压栅极驱动电路的正确启动。

4.4 高端栅极驱动电源（BST）

高端n沟道MOSFET的栅极驱动电压由外部飞跨电容和二极管升压电路产生。当同步整流器导通时，电容从VL电源充电；当同步整流器关闭时，电容上的电压叠加在LX上，为高端MOSFET提供必要的导通电压。

4.5 内部5V线性调节器

提供高达35mA的电流，为外部MOSFET提供栅极驱动，并为IC的内部电路供电。其输出（VL）需要用陶瓷电容进行旁路。

4.6 欠压锁定（UVLO）

当VVL下降到3.75V（典型值）以下时，欠压锁定电路会抑制开关操作，强制POK（MAX8598/MAX8599）为低电平，同时强制DH和DL为低电平。当VVL上升到4.2V（典型值）以上时，控制器进入启动模式。

4.7 启动

满足EN为高电平、VVL > 4.2V（典型值）、软启动电压VSS超过VFB以及不超过热限制这四个条件时，控制器开始开关操作，并启动软启动周期。

4.8 电源正常信号（POK）

POK是一个开漏输出，当FB高于其标称阈值的91%时，变为高阻抗。有八个时钟周期的延迟，之后POK变为高阻抗。

4.9 输出欠压保护（UVP）

当控制器达到电流限制且VFB低于其标称阈值的30%时，输出欠压保护启动。控制器会驱动DH和DL为低电平，并以5µA的下拉电流放电软启动电容，直到VSS达到50mV，然后重新进入软启动模式。

4.10 输出过压保护（OVP，MAX8599）

持续监测输出电压，当输出电压超过其标称设定值的117%时，经过12µs（典型值）的延迟后触发OVP。MAX8599会锁定DH为低电平，关闭高端MOSFET，锁定DL为高电平，开启低端MOSFET，将输出钳位到PGND。

4.11 热过载保护

当结温超过 +160°C时，热传感器会关闭设备，强制DH和DL为低电平，使IC冷却。当结温下降10°C后，热传感器会重新开启设备。

五、设计步骤

5.1 设置输出电压

• 固定输出电压：通过从输出到GND的电阻分压器网络设置输出电压，FB位于中心抽头。
• 实时可调输出电压：对于MAX8597，可以使用未使用的运算放大器，通过电压源（VADJ）调节输出电压。需要定义最小和最大输出电压、对应的输入电压等参数，并根据相应公式计算电阻值。

5.2 电感选择

考虑输入电压、输出电压、负载电流、开关频率和LIR（电感电流纹波与直流负载电流的比值）等参数。一般选择30%的LIR作为折衷方案，根据公式计算电感值，并选择具有低直流电阻和合适饱和电流额定值的电感。

5.3 输入电容

输入滤波电容用于减少从电源汲取的峰值电流，降低电路开关引起的输入噪声和电压纹波。根据公式计算纹波电流要求，推荐使用陶瓷电容。

5.4 输出电容

关键选择参数包括实际电容值、等效串联电阻（ESR）、等效串联电感（ESL）和电压额定要求。通过相关公式估算最坏情况下的纹波，并考虑负载瞬态响应。

5.5 MOSFET选择

选择外部逻辑电平n沟道MOSFET作为电路开关元件，关键参数包括导通电阻（RDS(ON)）、最大漏源电压（VDSS）和栅极电荷（Qg、Qgd、Qgs）。需要分别计算高端和低端MOSFET的损耗，并考虑散热设计。

5.6 设置电流限制

通过外部电阻与内部200µA电流沉共同设置峰值电流限制阈值。当使用高端MOSFET的RDS(ON)进行电流感测时，需要考虑温度对RDS(ON)的影响以及200µA电流沉的容差。

5.7 选择软启动电容

外部电容从SS到GND由内部5µA电流源充电到相应的反馈阈值，根据公式计算软启动时间。

5.8 补偿设计

采用电压模式控制方案，使用Type III补偿方案来补偿输出低通LC滤波器引入的增益下降和相移，以实现稳定的高带宽闭环系统。根据交叉频率与输出电容ESR零频率的关系，分为两种情况进行设计。

六、应用信息

6.1 PC板布局指南

• 高侧MOSFET应靠近低侧MOSFET，并通过10µF或更大的陶瓷电容紧密去耦。
• IC的引脚去耦电容应尽可能靠近引脚。
• 电流限制设置电阻应直接从ILIM连接到高侧MOSFET的漏极。
• 保持LX节点与IC引脚的连接和与飞跨升压电容的连接分开。
• 电源接地平面和信号接地平面应分开，并在输出电容的接地处连接在一起。
• RC缓冲电路应尽可能靠近低侧MOSFET。
• 保持高电流路径尽可能短。
• 将MOSFET的漏极连接到大面积铜区域，以帮助散热。
• 确保反馈连接短而直接，反馈电阻应尽可能靠近IC。
• 高速开关节点应远离敏感模拟区域。

七、总结

MAX8597/MAX8598/MAX8599降压控制器以其丰富的功能和出色的性能，为电子工程师提供了一个强大的电源管理解决方案。在设计过程中，需要仔细考虑各个方面的参数和特性，遵循合理的设计步骤和布局指南，以确保电路的稳定运行和高效性能。希望本文能为工程师们在使用这三款控制器时提供一些有益的参考。你在实际应用中是否遇到过相关问题？欢迎在评论区分享你的经验和见解。