探索MAX863：高效双输出DC - DC控制器的设计与应用

引言

在便携式设备和低功耗系统的设计中，电源管理模块的性能和效率至关重要。今天我们要深入探讨的是Maxim公司的MAX863，一款双输出、高效的脉冲频率调制（PFM）升压型DC - DC控制器。它以小巧的封装、出色的性能，为各类电子设备的电源设计提供了优秀的解决方案。

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产品概览

基本特性

MAX863将两个独立的升压控制器集成在一个紧凑的16引脚QSOP封装中，这种设计不仅节省了电路板空间，还降低了成本。其输入电压范围可低至1.5V，适用于各种低功耗手持设备，如电子记事本、翻译器等。在20mA至超过1A的输出负载下，能实现高达90%的效率，同时最大总静态电源电流仅为85µA，关机模式下电流低至1µA，有效延长了电池续航时间。

应用领域

该控制器广泛应用于2 - 3节电池供电的便携式设备、电子记事本、翻译器、手持仪器、掌上电脑、个人数字助理（PDA）以及需要双电源（逻辑和LCD）的系统中。

技术细节分析

PFM控制方案

MAX863采用了单触发序列、电流限制的PFM设计。通过误差比较器感测输出电压，当输出电压下降时，内部触发器置位，开启外部MOSFET，使电感电流上升并储存能量。当电流感测电阻两端电压超过100mV或达到17.5µs的最大导通时间时，触发器复位，MOSFET关闭，电感释放能量给输出电容和负载。这种设计结合了轻载时低供电电流和重载时高效率的优点。

连续/不连续传导模式

每个转换器可根据输出电压和负载情况决定是否切换。在轻载情况下，电感电流在下次周期前降至零，进入不连续传导模式；当电感中有电流时开始下一次开关周期，则进入连续传导模式。其转换点取决于输入输出电压、电感大小和峰值开关电流。

低压启动振荡器

MAX863具有一个低压启动振荡器，在自举配置下可确保低至1.5V的启动电压。当VDD低于2.7V时，低压振荡器以约30%的占空比驱动外部MOSFET，直到VDD上升到2.7V以上，误差比较器和单触发定时电路才开始工作。

自举/非自举模式

• 自举模式：IC由输出电源供电（VDD连接到OUT1，BOOT连接到VDD），可增加MOSFET的栅极驱动电压，降低导通电阻，提高效率和负载范围。适用于输入电压低于5V的应用，但连接到VDD的输出电压不能超过11V。
• 非自举模式：IC由输入电压直接供电到VDD，输入电压最低为2.7V。在低输入电压时，外部MOSFET的导通电阻会增加。当两个输出电压都设置在11V以上时，必须使用非自举模式。

关机模式

MAX863具有两个关机输入引脚SHDN1和SHDN2。将其中一个引脚拉低可关闭相应的DC - DC控制器，降低静态电流；将两个引脚都拉低则关闭参考、控制和偏置电路，使芯片进入1µA的关机模式。

设计步骤与元件选择

设计步骤

1. 明确设计目标：确定每个输出的电压、最大负载电流以及输入电压的最大和最小值，并估算最大输入电流。
2. 确定峰值开关电流：对于3.3V、5V、12V和24V输出电路，可通过图表选择峰值电流；对于其他输出电压，可使用分析方法计算。
3. 选择电感：电感值要保证MAX863在每个周期内能够在17.5µs最大导通时间内达到峰值电流限制，同时电感的饱和电流和加热电流额定值应大于峰值电流。
4. 选择MOSFET：使用N沟道MOSFET，考虑栅极驱动电压、漏源击穿电压、电流额定值、导通电阻和总栅极电荷等参数。
5. 选择输出二极管：推荐使用肖特基二极管，确保其峰值电流额定值超过RSENSE设置的电流限制，击穿电压超过输出电压。
6. 确定输入和输出滤波电容：使用低ESR电容，根据电压纹波估算电容值，并选择工作电压额定值合适的电容。
7. 添加旁路电容：在VDD、REF和GND引脚附近添加0.1µF或更高值的陶瓷电容进行旁路。
8. 设置输出电压：DC - DC转换器1可设置为3.3V、5V或可调输出；DC - DC转换器2可通过外部电阻调整输出电压。
9. 设置反馈补偿：对外部电压反馈进行补偿，以减少杂散电容和EMI的影响。

元件选择要点

• 电流感测电阻：应选择小尺寸、低电感的类型，如表面贴装金属条电阻，避免使用绕线电阻。电阻功率额定值要高于(V^{2}{CS(MAX)}/R{SENSE})。
• 电感：建议使用环形、罐形磁芯或屏蔽骨架磁芯电感，以减少辐射噪声。
• MOSFET：VDD低于8V时使用逻辑电平MOSFET，输入电压低于4V时使用低阈值逻辑电平MOSFET。
• 输出二极管：重负载和低电压应用中优先选择肖特基二极管；高温应用中，可考虑超快硅整流器。

应用电路示例

自举5V逻辑和24V LCD偏置电源

该电路由两节AA或AAA电池供电，可为逻辑电路提供5V（最大750mA）电源，为LCD偏置电源提供24V（最大35mA）电源。OUT1用于自举MAX863，以改善MOSFET的栅极驱动。

升压/降压SEPIC转换器和12V电源

此电路可在输入电压范围大于或小于VOUT1的应用中提供升降压功能，为逻辑电路提供3.3V（最大600mA）或5V电源，同时为闪存或模拟功能提供12V（在(V_{IN}=2.4V)时最大200mA）电源。

PCB布局与布线注意事项

由于MAX863具有较高的开关速度和较大的峰值电流，PCB布局和布线非常重要。应将功率元件尽可能靠近放置，保持其走线短、直、宽，并将多余的铜作为接地平面。避免通过内部接地层的过孔连接功率元件的接地引脚，建议采用“星形”接地配置。同时，电流感测电阻和电压反馈网络应靠近MAX863，避免噪声走线干扰电压反馈网络。

结论

MAX863作为一款高性能的双输出DC - DC控制器，凭借其高效、低功耗、小封装等特点，为电子工程师在便携式设备和低功耗系统的电源设计中提供了一个优秀的选择。在实际设计过程中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择元件和设计参数，并注意PCB布局和布线，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用MAX863或类似DC - DC控制器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。