Maxim CMOS微功耗反相开关稳压器MAX634/MAX4391的设计与应用

在电子设计领域，电源管理是一个至关重要的环节。今天要和大家分享的是Maxim公司的两款CMOS微功耗反相开关稳压器——MAX634和MAX4391，它们在电源转换方面具有独特的优势。

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1. 产品概述

MAX634和MAX4391是专为简单、高效的反相DC - DC转换器电路设计的CMOS DC - DC稳压器。它们将所有控制和功率处理功能集成在一个紧凑的8引脚封装中，包括1.25V带隙基准、振荡器、用于输出电压调节的比较器以及一个525mA的P沟道输出MOSFET，还提供了一个用于方便进行低电池检测的比较器。

这两款器件是Raytheon双极电路RC4391的引脚兼容升级版，具有更高的效率、更宽的低电压工作范围以及更高的输出电压精度（MAX634）。

2. 产品特性

2.1 电压转换

能够将正电压转换为负电压，满足不同电路对负电源的需求。

2.2 低工作电流

典型工作电流仅为100μA，且几乎与输出开关电流和占空比无关，即使在低功耗电池供电系统中也能确保高效率。

2.3 紧凑封装

采用8引脚MiniDIP和SO封装，节省电路板空间。

2.4 高效率

典型效率可达85%，有效降低功耗。

2.5 低电池检测功能

方便监测电池电量，及时采取措施。

2.6 输出电压精度

MAX634的输出电压精度为4%，提供稳定的输出电压。

2.7 宽输入电压范围

输入电压范围为+3V至+16.5V，适应不同的电源环境。

2.8 可调输出电压

使用简单线圈时输出电压可达 - 20V，配合变压器时输出电压几乎无限制。

3. 工作原理

3.1 基本电路操作

以图2所示的标准电路为例，当引脚8的反馈电压高于地时，引脚5的P沟道MOSFET导通，电感充电；当MOSFET关断时，电感的“反冲”通过二极管D1拉动电流，对输出滤波电容C1进行负向充电。这个循环不断重复，直到输出电压将反馈输入（引脚8）拉到地以下。

3.2 振荡器

MAX634/MAX4391的振荡器仅使用一个外部电容Cx连接在引脚3和地之间。47pF的电容可将振荡器频率设置为约40kHz，也可以使用CMOS门从地到+Vs摆动来外部驱动振荡器。当Cx引脚被外部驱动为高电平时，Lx输出始终关闭。

3.3 低电池检测器

当低电池电阻（引脚1）的输入电压低于+1.25V时，低电池检测器（LBD）输出（引脚2）吸收电流。LBR输入是高阻抗CMOS输入，漏电流小于10nA，LBD输出是一个开漏N沟道MOSFET，输出电阻约为50Ω。可以使用外部分压器调整低电池检测器的工作电压。

4. 外部组件选择

4.1 电感值

反相DC - DC电压转换器的可用输出电流由外部电感的值、输出电压、输入电压和工作频率决定。电感需要满足正确的电感值、能够处理峰值电流以及具有可接受的串联电阻和磁芯损耗等条件。计算公式如下： [L{MAX }=frac{left(V{IN} T{ON}right)^{2} f}{2 P{OUT }}] [L{MIN}=frac{V{IN} f{ON}}{I{MAX }}] 其中，Imax是允许的最大Lx峰值电流（525mA）。需要注意的是，降低电感值可以增加可用输出电流。

4.2 外部二极管

在大多数MAX634电路中，电感电流在Lx开启下一个输出脉冲之前会归零，因此可以使用关断速度较慢的二极管。但为了避免开启时的过度损耗，二极管必须具有快速开启时间。对于低功率应用，1N914或1N4148是合适的选择；对于高功率应用，1N5817系列肖特基二极管或其等效产品更为合适，而1N4001系列整流二极管由于开启速度慢，会导致过度损耗，不适合使用。

4.3 滤波电容

输出滤波电容（图2中的C1）存储电感传递的能量，并向负载提供电流。输出电压纹波直接受输出滤波电容的电容值和等效串联电阻（ESR）的影响。纹波由两部分组成，一部分是电容存储电荷变化产生的，另一部分是电容充放电电流与ESR的乘积。

4.4 振荡器电容Cx

振荡器电容可以使用低成本的陶瓷电容。如果电路要在较宽的温度范围内工作，应使用电容温度系数较低的电容。Cx的值可以使用公式[C{X}=frac{2.14 × 10^{-6}}{1}-C{INT}]计算，其中f是所需的工作频率（赫兹），CINT是Cx引脚和印刷电路板布局上的杂散电容之和。

5. 应用提示

5.1 电感饱和

使用现成的电感时，要确保观察到峰值电流额定值；设计自己的电感时，要遵循磁芯制造商的安匝数或NI额定值。电感饱和会导致外部升压晶体管中的电流水平非常高，从而导致过度的功率损耗、效率低下，并可能损坏电感和外部晶体管。可以通过施加最大负载、最大输入电压，并将时钟频率降低25%来测试饱和情况，使用电流探头监测电感电流。

5.2 旁路和补偿

Lx输出和外部电感中的高工作电流脉冲可能会导致MAX4391/MAX634工作不稳定，因此需要在引脚6（+Vs）和引脚4（地）之间直接连接一个10μF的旁路电容，以最小化电感和高频干扰。同时，引脚7的参考电压输出也应旁路到地，以避免耦合到包含Lx输出、电感及其接地回路的高电流路径。在轻负载情况下，高功率电路与控制电路之间的耦合可能会导致输出脉冲成组出现，增加低频纹波并降低线路和负载调节性能，可以通过添加一个小电阻R1来恢复正常操作，同时尽量减小VFB端子上的杂散电容。

6. 典型应用

6.1 - 5V输出稳压电压逆变器

图2所示的标准电路可以在 - 5V时提供50mA的电流。使用低损耗的罐形磁芯或环形电感（如Dale TE3Q4TA系列）时，效率可达85%；使用具有几欧姆串联电阻的低成本模制电感时，效率会降低到70%。

6.2 - 12V和 - 15V输出DC - DC逆变器

只需更改反馈网络中R1的值，就可以将图2的电路用于 - 12V或 - 15V输出，计算公式为[R 1=frac{V_{OUT } R 2}{1.25 V}]。

6.3 双输出，±12V或±15V DC - DC转换器

MAX634的降压 - 升压配置非常适合双输出DC - DC转换器。如图3所示，只需在电感上增加一个二次绕组即可。负输出电压由MAX634完全调节，正电压为半调节，会随正或负输出的负载变化而略有变化。如果两个输出都需要完全调节，可以同时使用MAX634和MAX630，如图4所示。

6.4 电压逆变器

在图5中，负输出电压跟踪调节和更高的输出电流能力。当输入为+9V时，电路可以在 - 9V时提供约50mA的电流；当输入为+5V时，在 - 5V时提供约30mA的电流。通过使用正输入电压作为参考而不是板载带隙参考来实现输入电压跟踪。

6.5 低功耗关机

与MAX630不同，MAX634和MAX4391没有逻辑电平关机引脚，但可以如图6所示轻松实现低功耗模式。由于最大工作电流仅为250μA，GND引脚可以直接由CMOS门或N沟道FET驱动。将GND引脚拉低以进行正常操作，让其浮空或拉高以进入低功耗关机模式。在低功耗关机状态下，MAX634电路仅消耗Lx输出的漏电流。

6.6 外部功率器件提升输出功率

MAX634和MAX4391的最大开关电流限制为525mA。如果需要更高的电流或低于MAX634的6Ω输出电阻，可以使用图7、图8或图9所示的电路。

7. 宽输入电压范围操作

可用输出功率随输入电压的平方而变化。低电池检测器可以通过降低振荡器频率来补偿输入电压的降低，如图10所示。当输入电压高于6V时，振荡器频率为40kHz；当输入电压低于6V时，低电池检测器（LBD）输出变低，将100pF电容与Cx并联，将振荡器频率降低到14kHz，从而使可用输出功率增加3倍。

8. 总结

MAX634和MAX4391是两款性能出色的CMOS微功耗反相开关稳压器，具有多种特性和广泛的应用场景。在设计电源电路时，合理选择外部组件、注意应用提示，可以充分发挥它们的优势，为电子设备提供稳定、高效的电源。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。