深度剖析MAX1920/MAX1921：低电压、400mA降压DC - DC转换器的卓越之选

深度剖析MAX1920/MAX1921：低电压、400mA降压DC - DC转换器的卓越之选

在现代电子设备的设计中，电源管理模块至关重要，特别是对于那些对空间和效率有严格要求的应用场景。今天，我们就来深入探讨一款性能出色的降压DC - DC转换器——MAX1920/MAX1921。

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一、产品概述

MAX1920/MAX1921是低电压、400mA的降压DC - DC转换器，采用独特的专有电流限制控制方案，能够在输出低至1.25V的情况下提供超过400mA的电流，效率高达90%以上。其静态电源电流极低，仅为50μA，同时高达1.2MHz（最大值）的工作频率允许使用小型、低成本的外部组件。这种特性组合使它们成为空间受限应用中线性稳压器的高效替代品。内部同步整流大大提高了效率，并且无需传统降压转换器中所需的外部肖特基二极管。此外，两款器件还具备内部数字软启动功能，可限制启动时的输入电流并减少输入电容器的要求。

MAX1920提供可调输出电压（1.25V至4V），而MAX1921则提供工厂预设输出电压。它们均采用节省空间的6引脚SOT23封装，MAX1920还提供6引脚TDFN封装。

二、应用领域

这款转换器的应用范围十分广泛，主要包括：

• 下一代无线手持设备：如智能手机等，对电源的效率和空间占用有较高要求。
• PDA、掌上电脑和手持终端：需要高效稳定的电源来保证设备的正常运行。
• 电池供电设备：低静态电流可延长电池续航时间。
• CDMA功率放大器电源：能够提供稳定的电源输出，满足功率放大器的工作需求。

三、产品特性亮点

1. 高输出能力：保证400mA的输出电流，能满足大多数中小功率设备的需求。
2. 高效同步整流：内部同步整流器使效率超过90%，有效降低了功耗。
3. 小封装设计：采用6引脚SOT23封装，对于空间受限的设计非常友好，MAX1920还提供6引脚TDFN封装可供选择。
4. 高开关频率：高达1.2MHz的开关频率，允许使用小型外部组件，进一步节省了电路板空间。
5. 低静态电流：仅50μA的静态电源电流，有助于延长电池寿命。
6. 逻辑控制关断：具有0.1μA的逻辑控制关断电流，在不使用时可大幅降低功耗。
7. 宽输入范围：2V至5.5V的输入范围，可适应多种电源供电。
8. 精准输出电压：MAX1921有固定的1.5V、1.8V、2.5V、3V和3.3V输出电压，MAX1920输出电压可调，且初始精度为±1.5%。
9. 软启动功能：软启动可限制启动电流，减少对输入电源的冲击。

四、电气参数详解

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压范围	(V_{IN})	(I_{LX}<400mA)	2.5	/	5.5	V
启动电压	/	(V_{IN})上升	1.85	1.95	/	V
欠压锁定阈值（UVLO）	(UVLO)	(V_{IN})上升	1.85	1.95	/	V
(V_{IN})下降	1.50	1.65	/	V
欠压锁定迟滞	/	/	/	200	mV
静态电源电流	(I_{IN})	无开关，无负载	50	70	µA
静态电源电流压降	(I_{IN})	(SHDN = IN)，(OUT/FB = 0)	220	300	µA
关断电源电流	(I_{SHDN})	(SHDN = GND)	0.1	4.0	µA
输出电压精度（MAX1921）	/	(I{OUT}=0)，(T{A}= +25^{circ}C)	- 1.5	+ 1.5	%
(I{OUT}=0)至400mA，(T{A}= - 40^{circ}C)至 + 85°C	- 3	+ 3	%
输出偏置电流	(I_{OUT})	OUT处于稳压电压	8	16	µA
输出电压范围（MAX1920）	/	见图4，(IN = 4.5V)	1.25	4.00	V
FB反馈阈值（MAX1920）	(V_{FB})	(T_{A}= +25^{circ}C)	1.231	1.25	1.269	V
(T_{A}= - 40^{circ}C)至 + 85°C	1.210	/	1.280	V
FB反馈迟滞（MAX1920）	(V_{HYS})	/	/	5	mV
FB偏置电流（MAX1920）	(I_{FB})	(FB = 1.5V)	0.01	0.20	µA
负载调整率	/	(I_{OUT}=0)至400mA	0.005	/	%/mA
线性调整率	/	(V_{IN}=2.5V)至5.5V	0.2	/	%/V
SHDN输入电压高	(V_{IH})	/	1.6	/	V
SHDN输入电压低	(V_{IL})	/	0.4	/	V
SHDN泄漏电流	(I_{SHDN})	(SHDN = GND)或(IN)	0.001	1.000	µA
高端电流限制	(I_{LIMP})	/	525	730	950	mA
低端电流限制	(I_{LIMN})	/	350	550	800	mA
高端导通电阻	(R_{ONHS})	(I{LX}= - 40mA)，(V{IN}=3V)	0.6	1.1	Ω
整流器导通电阻	(R_{ONSR})	(I{LX}=40mA)，(V{IN}=3V)	0.5	0.9	Ω
整流器关断电流阈值	(I_{LXOFF})	/	60	/	mA
LX泄漏电流	(I_{LXLEAK})	(IN = SHDN = 5.5V)，(LX = 0)至(IN)	0.1	5.0	µA
LX反向泄漏电流	(I_{LXLKR})	(IN)未连接，(V_{LX}=5.5V)，(SHDN = GND)	0.1	5.0	µA
最小导通时间	(t_{ON}(MIN))	/	0.28	0.4	0.5	µs
最小关断时间	(t_{OFF}(MIN))	/	0.28	0.4	0.5	µs

这些详细的电气参数为工程师在设计电路时提供了精确的参考，帮助我们根据实际需求进行合理的选型和设计。

五、控制方案

MAX1920/MAX1921采用专有的电流限制控制方案，以确保高效率、快速瞬态响应和使用小型外部组件。当输出电压超出稳压范围时，误差比较器通过导通高端开关启动一个开关周期。该开关保持导通状态，直到达到400ns的最小导通时间，且输出电压稳定或超过电流限制阈值。高端开关关断后，将保持关断状态，直到达到400ns的最小关断时间，且输出电压再次超出稳压范围。在此期间，低端同步整流器导通，并保持导通状态，直到高端开关再次导通或电感电流接近零。这种控制方案使得MAX1920/MAX1921在整个负载电流范围内都能提供出色的性能。

在轻负载时，高端开关在最小导通时间后关断，以减少电感峰值电流，从而提高效率并降低输出电压纹波。在中高输出电流时，为了保持稳压，可根据需要延长导通时间或关断时间，实现接近恒定频率的高效运行和低输出电压纹波。

六、关断模式

将SHDN引脚连接到GND可使MAX1920/MAX1921进入关断模式，此时电源电流降至0.1μA。在关断模式下，控制电路、内部开关MOSFET和同步整流器均关闭，LX引脚变为高阻抗。将SHDN引脚连接到IN则可实现正常工作。

七、软启动功能

MAX1920/MAX1921具备内部软启动电路，可限制启动时的电流汲取，减少输入电源的瞬态变化。软启动对于高阻抗输入源（如锂离子和碱性电池）特别有用。软启动通过将电流限制初始设置为其满值的25%，并逐步以25%的步长增加，直到达到满电流限制。这一过程在典型工作特性的软启动和关断响应曲线中可以清晰看到。

八、设计步骤

1. 电压定位：图1和图2的应用电路使用小型陶瓷输出电容器。为了保证稳定性，电路通过R1从LX节点获取反馈，同时通过CFF进行负载瞬态前馈。由于没有来自输出的直流反馈，输出电压的负载调整率等于输出负载电流乘以电感的串联电阻。这种少量的负载调整类似于个人计算机中高性能微处理器电源所采用的电压定位方式，可有效减少负载瞬态期间的下冲和过冲。
2. 电感选择
   • 首先计算应用的最大占空比：(DutyCycle (MAX)=frac{V{OUT }}{V{IN }(MIN)} × 100 %)
   • 然后计算电感上的临界电压：
     • 若(DutyCycle (MAX) <50 %)，则(V{CRITICAL }=left(V{IN}(MIN)-V_{OUT }right))；
     • 否则(V{CRITICAL }=V{OUT })
   • 最后计算最小电感值：(L(MIN)=2.5 × 10^{-6} × V_{CRITICAL })

选择比(L(MIN))大的下一个标准值。一个额定电流为550mA的电感足以防止输出电流高达400mA时出现饱和。为了提高效率，应选择低直流电阻的电感。文档中给出了一些建议的电感型号和供应商，如Coilcraft的LPO1704、Sumida的CDRH3D16等。

3. 电容选择
   • 输入电容：对于几乎所有应用，输入电容(C{IN})可以使用小至2.2μF的X5R或X7R陶瓷电容。输入电容用于过滤电压源处的峰值电流和噪声，因此必须满足输入纹波要求和电压额定值。可通过公式(IN (RMS)=IOUT ( MAX ) × frac{sqrt{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}}{V_{IN }})计算最大RMS输入电流。
   • 输出电容：输出电容(C_{OUT})可以是陶瓷或钽电容，具体取决于所选的应用电路。
     • 陶瓷输出电容：使用图1或图2的应用电路，计算最小电容值(C{OUT }(MIN)=2.5 × 10^{-6} × V{CRITICAL })，选择比(C{OUT}(MIN))大的下一个标准值。虽然比(C{OUT}(MIN))大很多的值可以改善瞬态性能和稳定性，但会增加电容的尺寸和成本。
     • 钽输出电容：使用图3或图4的应用电路，(C{OUT})的等效串联电阻（ESR）必须足够大以保证稳定性。一般来说，反馈节点处25mV的ESR纹波就足够了，简化计算为(ESR{COUT }(MIN)=8.0 × 10^{-2} × V{OUT })。由于钽电容很少指定最小ESR，因此应选择典型ESR约为(ESR{COUT}(MIN))两倍的电容。计算最小输出电容值(C{OUT }(MIN)=1.25 × frac{L × I{OUT }( MAX )}{ESR{COUT }(MIN) × V{CRITICAL }})，选择任何比(C_{OUT}(MIN))大的标准值。
4. 反馈和补偿
   • MAX1921使用陶瓷(C_{OUT})：在使用图1的应用电路时，电感的串联电阻会产生少量的负载调整，这是电压定位负载瞬态响应所期望的。选择(R1)使得空载时(V{OUT})比负载调整的一半略高，简化计算为(R 1=5 × 10^{4} × R{L}(M A X))，选择一个在计算值20%以内的标准电阻值。然后计算(C{FF})以在内部反馈节点处实现25mV的纹波，简化计算为(C{FF}=2.5 × 10^{-5} / R 1)，选择一个在计算值(C_{FF})20%以内的标准电容值。
   • MAX1920使用陶瓷(C_{OUT})：使用图2的应用电路时，选择(R1)和(R2)使得空载时(V{out})比负载调整的一半略高，计算公式为(R 1=R 2 timesleft(frac{V{OUT }+R{L} × I{OUT }(M A X) / 2}{V{REF }}-1right))，其中(R2)选择在50kΩ至500kΩ范围内，(V{REF}=1.25V)，(R{L})是电感的典型串联电阻，使用1%或更高精度的电阻。接着计算FB节点处的等效电阻(Req=R 1 | R 2=frac{R 1 × R 2}{R 1+R 2})，再计算(C{FF})以在FB处实现25mV的纹波，简化计算为(C{FF}=2.5 × 10^{-5} / Reg)，选择一个在计算值(C{FF})20%以内的标准电容值。
   • MAX1920使用钽(C_{OUT})：使用图4的应用电路时，选择(R1)和(R2)以获得所需的(V{OUT})，计算公式为(R 1=R 2 timesleft(frac{V{OUT }}{V{REF }}-1right))，其中(R2)选择小于50kΩ，(V{REF}=1.25V)，使用1%或更高精度的电阻。

     九、布局注意事项

     由于开关频率较高，PCB布局在设计中非常重要。良好的设计应尽量减少反馈路径上的过度EMI和接地平面中的电压梯度，因为这些都可能导致不稳定或调节误差。应将电感、输入滤波电容和输出滤波电容尽可能靠近器件连接，并保持它们的走线短、直且宽。将它们的接地引脚在一个星型接地配置的单个公共节点处连接。外部电压反馈网络应非常靠近FB引脚，距离在0.2英寸（5mm）以内。应使嘈杂的走线（如LX走线）远离电压反馈网络，并使用接地铜箔将它们分开。MAX1920/MAX1921评估套件数据手册中包含了正确的PCB布局和布线方案。

十、总结

MAX1920/MAX1921以其高效、小封装、低功耗等优点，为电子工程师在设计电源管理模块时提供了一个优秀的选择。通过合理的电感、电容选择，以及精确的反馈和补偿电路设计，结合良好的PCB布局，能够充分发挥其性能优势，满足各种应用场景的需求。在实际设计过程中，大家不妨根据具体的设计要求，参考本文提供的设计步骤和参数，打造出稳定、高效的电源电路。你在使用MAX1920/MAX1921的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。