MAX1858：高性能双路同步降压控制器的设计与应用

在电子设计领域，电源管理芯片的性能和功能对于系统的稳定性和效率至关重要。MAX1858作为一款双路同步降压控制器，以其独特的设计和出色的性能，在众多应用场景中展现出了强大的优势。本文将深入探讨MAX1858的特点、工作原理、设计要点以及应用注意事项，帮助电子工程师更好地理解和应用这款芯片。

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一、MAX1858概述

MAX1858能够从4.75V至23V的输入电源中生成两路输出，每路输出电压可在低于1V至18V之间调节，并且能够支持10A或更高的负载。通过180°异相同步操作，有效降低了输入电压纹波和总RMS输入纹波电流。其开关频率可通过外部电阻在100kHz至600kHz之间进行调节，也可以与外部时钟同步，实现多相系统的同步运行。此外，该芯片还具备“先开后关”的电源排序功能、软启动和软停止特性，确保了可靠且可重复的电源排序。

应用领域

• 网络电源：为网络设备提供稳定的电源供应，确保网络的正常运行。
• 电信电源：满足电信设备对电源的高要求，保障通信的稳定性。
• DSP、ASIC和FPGA电源：为这些高性能芯片提供精确的电源，保证其性能的发挥。
• 机顶盒和宽带路由器：为这些设备提供稳定的电源，提升用户体验。
• 服务器：为服务器提供可靠的电源，确保服务器的稳定运行。

主要特性

• 双独立输出电压：能够独立调节两路输出电压，满足不同负载的需求。
• 180°异相操作：降低输入滤波要求，减少电磁干扰（EMI），提高效率。
• 90°异相操作（使用两个MAX1858）：可实现交错的两相或四相系统，进一步优化电源性能。
• 折返电流限制：在短路情况下降低功耗，保护芯片和电路。
• 4.75V至23V输入电源范围：适应多种电源环境。
• 0至18V输出电压范围（高达10A）：满足不同负载的电压和电流需求。
• >90%效率：提高能源利用率，降低功耗。
• 固定频率脉冲宽度调制（PWM）操作：确保稳定的输出电压。
• 可调100kHz至600kHz开关频率：可根据应用需求进行灵活调整。
• 外部SYNC输入：可与外部时钟同步，实现多相系统的同步运行。
• 时钟输出用于主/从同步：方便实现多个芯片的同步控制。
• 带软启动和软停止的电源开/关排序：确保电源的平稳启动和关闭。
• RST输出，最小延迟140ms：提供复位信号，确保系统的可靠运行。
• 无损电流限制（无检测电阻）：减少功耗，提高效率。

二、工作原理

DC - DC PWM控制器

MAX1858采用PWM电压模式控制方案，通过内部振荡器或外部时钟信号生成时钟信号，每个控制器的开关频率等于振荡器频率的一半（fSW = fOSC/2）。内部跨导误差放大器在COMP引脚产生积分误差电压，通过PWM比较器和斜坡发生器设置占空比。在时钟的上升沿，REG1的高端N沟道MOSFET导通，直到达到合适的占空比或最大占空比；REG2则在时钟的下降沿导通，实现180°异相操作。

同步异相操作

MAX1858的两路独立调节器以180°异相方式工作，有效降低了输入滤波要求、电磁干扰（EMI），提高了效率。与传统的同相双开关调节器相比，异相操作使两路调节器的瞬时输入电流峰值不再重叠，从而降低了RMS纹波电流和输入电压纹波，减少了所需的输入电容纹波电流额定值，降低了成本和屏蔽要求。

内部5V线性调节器（VL）

MAX1858的所有功能由片上低压差5V调节器内部供电，最大调节器输入电压（V+）为23V。通过4.7µF陶瓷电容将调节器输出（VL）旁路到PGND，VL压差电压通常为500mV。当V+大于5.5V时，VL通常为5V。此外，芯片还采用了欠压锁定电路，当VL低于4.5V时，禁用两路调节器。

高端栅极驱动电源（BST_）

高端N沟道开关的栅极驱动电压由飞电容升压电路生成。升压电容（连接在BST_和LX_之间）为高端MOSFET驱动器提供电源。在启动时，同步整流器（低端MOSFET）将LX_接地，将升压电容充电至5V。在第二个半周期，低端MOSFET关闭后，通过闭合BST_和DH_之间的内部开关，使高端MOSFET导通，提供必要的栅源电压，将5V栅极驱动信号提升至高于VIN。

MOSFET栅极驱动器（DH, DL）

DH和DL驱动器经过优化，用于驱动中等尺寸的高端N沟道和较大尺寸的低端功率MOSFET。DL_低端驱动波形始终是DH_高端驱动波形的互补波形（具有受控的死区时间，以防止交叉导通或“直通”）。自适应死区时间电路监测DL_输出，防止高端FET在DL_完全关闭之前导通。

电流限制电路（ILIM_）

电流限制电路采用“谷底”电流感测算法，利用低端MOSFET的导通电阻作为电流感测元件。如果电流感测信号高于电流限制阈值，MAX1858不会启动新的周期。可调电流限制可适应不同导通电阻特性的MOSFET，通过外部电阻在ILIM_引脚调节电流限制阈值，范围为50mV至300mV。

欠压锁定和启动

当VL下降到4.5V以下时，MAX1858激活欠压锁定（UVLO）电路，强制DL和DH低电平，禁止开关操作，RST也被强制低电平。当VL上升到4.5V以上时，控制器启动输出。

使能（EN）、软启动和软停止

将EN拉高可启用两路调节器，拉低则关闭。在关闭状态下，电源电流降至1mA（最大），LX进入高阻抗状态，COMP_通过17Ω电阻放电到GND，VL和REF保持激活。在EN的上升沿，两路控制器进入软启动，逐渐将输出电压斜坡上升到参考电压，控制输出的上升速率，减少启动时的输入浪涌电流。软启动周期为1024个时钟周期，内部软启动DAC以64步斜坡上升电压。在EN的下降沿，两路控制器同时进入软停止，反向执行软启动斜坡，软停止完成后进入关闭状态。

输出电压排序

启动电路启用控制器后，MAX1858开始启动序列。调节器1（OUT1）在软启动启用的情况下上电，第一个转换器的软启动序列结束后，调节器2（OUT2）在软启动启用的情况下上电。当两个转换器完成软启动且两路输出电压超过其标称值的90%时，复位输出（RST）变为高电平。软停止通过拉低EN启动，按软启动的相反顺序进行，实现“最后开启/最先关闭”的操作。

复位输出

RST是一个开漏输出，当任一路输出电压低于其标称调节电压的90%时，RST拉低。当两路输出超过其标称调节电压的90%且两个软启动周期完成后，RST变为高阻抗。为了获得逻辑电压输出，可将上拉电阻从RST连接到逻辑电源电压。

时钟同步（SYNC, CKO）

SYNC具有两个功能：选择用于同步从控制器的时钟输出（CKO）类型，或作为时钟输入使MAX1858与外部时钟信号同步。CKO提供与MAX1858开关频率同步的时钟信号，可实现同相（SYNC = GND）或90°异相（SYNC = VL）的同步。MAX1858支持三种操作模式：

• SYNC = GND：CKO输出频率等于REG1的开关频率，CKO信号与REG1的开关频率同相，可实现两相操作。
• SYNC = VL：CKO输出频率等于REG1开关频率的两倍，CKO信号相对于REG1的开关频率相移90°，可实现四相操作。
• SYNC由外部振荡器驱动：控制器通过对SYNC输入信号进行分频生成时钟信号，开关频率等于同步频率的一半。CKO输出频率和相位与REG1的开关频率匹配，CKO信号同相。

热过载保护

当器件的管芯结温超过TJ = +160°C时，片上热传感器关闭器件，强制DL_和DH_低电平，使IC冷却。结温下降10°C后，热传感器再次开启器件。在热关断期间，调节器关闭，RST变低，软启动复位。

三、设计要点

有效输入电压范围

MAX1858的输入电压范围受其占空比限制，最大输入电压受最小导通时间（tON(MIN)）限制，最小输入电压受开关频率和最小关断时间限制。计算公式如下： [V{IN(MAX)} leq frac{V{OUT }}{t{ON(MIN) } f{SW }}] [V{I N(MIN)}=left[frac{V{OUT }+V{DROP 1}}{1-f{SW} t{OFF(MIN)}}right]+V{DROP 2}-V_{DROP 1}] 其中，tON(MIN)为100ns，VDROP1是电感放电路径中的寄生电压降之和，VDROP2是充电路径中的电阻之和。

设置输出电压

• 输出电压大于等于1V：通过连接从输出到FB_再到GND的分压器来设置输出电压，选择R_B（FB_到GND电阻）在1kΩ至10kΩ之间，R_A（OUT_到FB电阻）可通过以下公式计算： [R{-} A=R{-} Bleft[left(frac{V{OUT }}{V_{SET }}right)-1right]] 其中，VSET = 1.00V。
• 输出电压低于1V：通过连接从输出到FB_再到REF的分压器来设置输出电压，选择R_C（FB到REF电阻）在1kΩ至10kΩ之间，RA可通过以下公式计算： [R A R C V V V V SET OUT REF SET = left(frac{V{OUT }-V{SET }}{V{REF }-V_{SET }}right)] 其中，VSET = 1V，VREF = 2V。

设置开关频率

控制器通过对内部振荡器或外部振荡器驱动的SYNC输入信号进行分频生成时钟信号，开关频率等于振荡器频率的一半（fSW = fOSC/2）。内部振荡器频率由连接在OSC和GND之间的电阻（ROSC）设置，fSW和ROSC的关系为： [f{OSC}=6times10^{9}/R{OSC}] 例如，设置600kHz的开关频率，ROSC = 10kΩ。

电感选择

选择电感时，需要考虑电感值（L）、峰值电感电流（IPEAK）和直流电阻（RDC）。通常选择30%的峰 - 峰纹波电流与平均电流比（LIR = 0.3）作为折衷方案，电感值可通过以下公式计算： [L=frac{(V{IN}-V{OUT})V{OUT}}{f{SW}I{OUT}LIR}] 电感的饱和额定值必须超过最大定义负载电流（ILOAD(MAX)）时的峰值电感电流： [I{PEAK}=I{LOAD(MAX)}+frac{I{LOAD(MAX)}LIR}{2}]

设置谷底电流限制

谷底电流限制阈值必须足够高，以支持最大预期负载电流，同时考虑最坏情况下低端MOSFET的导通电阻值。电流感测阈值电压（VITH）应大于纹波电流谷底时低端MOSFET上的电压： [V{ITH}>R{DS(ON)MAX}times I_{LOAD(MAX)}times(1-frac{LIR}{2})] 将ILIM连接到VL可获得默认的100mV（典型）电流限制阈值，若要调整阈值，可连接一个电阻（RILIM）从ILIM到GND，电流限制阈值（VITH）和RILIM的关系为： [R{ILIM}=frac{V{ITH}}{0.5 mu A}] 对于折返电流限制，可从ILIM引脚到输出添加一个电阻（RFBI），RILIM和RFBI的值可通过以下公式计算： [R{FBI}=frac{P{FB} times V{OUT }}{5 times 10^{-6}left(1-P{FB}right)}] [R{ILIM }=frac{10 × V{ITH }left(1-P{FB}right) × R{FBI}}{left[V{OUT }-10 × V{ITH}left(1-P{FB}right)right]}] 其中，PFB为折返百分比，范围为15%至30%。

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。输入电容必须满足开关电流施加的纹波电流要求（IRMS），计算公式为： [I{RMS }=I{LOAD } frac{sqrt{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}}{V{IN }}] 当输入电压等于两倍输出电压（VIN = 2VOUT）时，IRMS达到最大值，IRMS(MAX)=ILOAD / 2。对于大多数应用，建议使用非钽电容（陶瓷、铝、聚合物或OSCON）作为输入电容，可将两个或更多小值低ESR电容并联以降低成本。选择在RMS输入电流下温度上升小于+10°C的输入电容，以确保长期可靠性。

输出电容

输出电容的关键选择参数包括电容值、ESR和电压额定值，这些参数影响整体稳定性、输出纹波电压和瞬态响应。输出纹波由输出电容存储电荷的变化和电容ESR上的电压降两部分组成： [V{RIPPLE } cong V{RIPPLE(ESR) }+V{RIPPLE(C)}] [V{RIPPLE(ESR) }=I{P-P} R{ESR}] [V{RIPPLE(C)}=frac{I{P-P}}{8 C{OUT } f{SW}}] 其中，IP - P为电感的峰 - 峰电流，可通过以下公式计算： [I{P-P}=left(frac{V{I N}-V{OUT }}{f{S W} L}right)left(frac{V{OUT }}{V{I N}}right)]

MOSFET选择

MAX1858的降压控制器驱动两个外部逻辑电平N沟道MOSFET作为电路开关元件，选择MOSFET时需要考虑以下关键参数：

• 导通电阻（RDS(ON)）：选择导通电阻低的MOSFET，以降低导通损耗。
• 最大漏源电压（VDS(MAX)）：确保MOSFET能够承受最大工作电压。
• 最小阈值电压（VTH(MIN)）：选择逻辑电平类型的MOSFET，保证在VGS = 4.5V时具有可靠的导通特性。
• 总栅极电荷（Qg）：选择总栅极电荷低的MOSFET，以降低驱动功耗。
• 反向传输电容（CRSS）：降低CRSS可减少开关损耗和电磁干扰。
• 功率耗散：计算MOSFET的功率耗散，确保其在工作温度范围内不会过热。

四、应用注意事项

压降性能

在低输入电压下，连续导通操作的输出电压可调范围受最小关断时间（tOFF(MIN)）限制。为了获得最佳压降性能，建议使用最低（100kHz）开关频率设置。制造公差和内部传播延迟会对开关频率和最小关断时间规格引入误差，在较高频率下误差更为显著。此外，接近压降操作的降压调节器的瞬态响应性能较差，通常需要增加大容量输出电容。

提高抗噪能力

在嘈杂环境中使用MAX1858时，可以通过调整控制器的补偿来提高系统的抗噪能力。特别是高频噪声耦合到反馈环路会导致占空比抖动，一种解决方案是降低交叉频率。

PC板布局指南

精心的PC板布局对于实现低开关损耗和干净、稳定的操作至关重要，特别是对于双转换器，一个通道可能会影响另一个通道。以下是一些PC板布局的指导原则：

• 隔离电源和模拟组件：将电源组件安装在板的顶层，模拟组件安装在底层，使用接地屏蔽隔离。
• 使用独立的PGND平面：在OUT1和OUT2两侧使用独立的PGND平面（PGND1和PGND2），避免AC电流引入这些接地平面。
• 短而直接的高电流路径：保持高电流路径短，特别是在接地端子处，以确保稳定、无抖动的操作。
• 正确连接GND和PGND：将GND和PGND在IC附近连接在一起，避免在其他地方连接。
• 短而直接的反馈连接：确保反馈连接到COUT_的