深入剖析MAX1801：数字相机升压从控DC - DC控制器的卓越之选

在电子设备的电源设计领域，尤其是数字相机、便携式DVD播放器等设备中，电源的稳定性和高效性至关重要。MAX1801作为一款数字相机升压从控DC - DC控制器，为电源设计带来了诸多优势。下面我们就来深入了解这款控制器。

文件下载：MAX1801.pdf

一、产品概述

MAX1801需与MAX1800（升压）或MAX1802（降压）主DC - DC转换器配合使用，为数字相机等设备提供完整的电源解决方案。通过使用主转换器的参考电压和振荡器，不仅降低了从控制器的尺寸和成本，还确保了所有转换器以相同频率进行开关操作。它能驱动外部N沟道MOSFET，适用于升压、单端初级电感转换器（SEPIC）和反激式拓扑结构。此外，它还具备内置软启动、短路保护和可调占空比限制等特性，采用节省空间的8引脚SOT23封装，并且有配套的评估套件助力设计。

二、应用领域

MAX1801的应用范围广泛，涵盖了数字静态相机、数字视频相机、便携式DVD播放器、互联网接入平板电脑、个人数字助理（PDA）以及各种手持设备等。这些设备对电源的稳定性和效率都有较高要求，MAX1801正好满足了这些需求。

三、产品特性

1. 可扩展性强：为MAX1800和MAX1802主转换器提供简单的扩展能力，能在现有主电路中轻松添加从控制器，减少重新设计的成本和时间。
2. 多种拓扑结构支持：可在升压、SEPIC和反激式拓扑结构中工作，满足不同的设计需求。
3. 可调工作频率：工作频率可在100kHz至1MHz之间调节，方便根据具体应用优化外部组件尺寸或效率。
4. 占空比可调：占空比限制可在40%至90%之间调节，并且具备软启动功能，能有效限制浪涌电流。
5. 保护功能完善：具有短路保护功能，能防止输出短路对电路造成损坏。
6. 低功耗：在关机模式下，电源电流仅为0.01µA，有效降低功耗。
7. 小封装：采用8引脚SOT23封装，节省电路板空间。

四、电气特性

1. 绝对最大额定值

• 各引脚对GND的电压范围有所限制，如IN、DCON、REF、OSC、FB对GND为 - 0.3V至 + 6.0V等。
• 连续功率耗散在TA = + 70°C时，8引脚SOT23封装为480mW（70°C以上每升高1°C降额6mW）。
• 工作温度范围为 - 40°C至 + 85°C，结温为 + 150°C，存储温度范围为 - 65°C至 + 150°C，焊接时引脚温度（10s）为 + 300°C。

2. 电气参数

• 电源电压：VIN的工作范围为2.7V至5.5V，VIN欠压锁定阈值在VIN上升时为2.15V至2.55V。
• 参考输入：REF输入范围为1.19V至1.31V，REF欠压锁定阈值在VREF上升时为0.85V至1.15V。
• 电源电流：关机模式下电源电流最大为1µA，睡眠模式下最大为10µA，静态电源电流最大为300µA。
• 振荡器：OSC输入泄漏电流最大为1µA，振荡器频率范围为100kHz至1000kHz，OSC时钟低触发电平为0.20V至0.30V，高触发电平为1.00V至1.10V。
• 占空比：最大占空比调节范围在fOSC = 100kHz时为40%至90%。
• 输入输出：DCON输入泄漏电流最大为100nA，DCON输入睡眠模式阈值为0.35V至0.45V，REF输入电流在不同条件下有不同值。
• 误差放大器：FB调节电压为1.238V至1.263V，FB到COMP的跨导为70µS至160µS，FB输入泄漏电流最大为100nA。
• 驱动器：DL驱动器电阻最大为5Ω，DL驱动电流典型值为0.5A。
• 软启动和短路保护：软启动间隔和故障间隔均为1024个OSC周期。

五、典型工作特性

1. 效率与负载电流关系

通过不同的电池电压（如1.5V、2.4V、3.6V）和输出电压（如7V、12V、18V）的曲线，可以直观地看到效率随负载电流的变化情况。一般来说，在合适的负载电流范围内，效率能保持在较高水平。

2. 占空比与频率和电压关系

默认最大占空比与频率、最大占空比与VDCON之间存在一定的关系曲线。通过这些曲线，我们可以根据实际需求选择合适的频率和VDCON电压来设置占空比。

3. 睡眠模式电流与输入电压、关机电流与参考电压关系

睡眠模式电流随输入电压的变化以及关机电流随参考电压的变化曲线，有助于我们了解在不同电压条件下的功耗情况，从而优化电源设计。

4. 参考输入电流与温度关系

参考输入电流会随温度的变化而变化，了解这一特性可以帮助我们在不同的工作温度环境下更好地设计电路。

5. FB到COMP小信号开环频率响应

该响应曲线展示了电路在不同频率下的特性，对于分析电路的稳定性和性能非常重要。

6. 启动响应和负载瞬态响应

启动响应曲线可以看到输出电压、输入电流等在启动过程中的变化情况，负载瞬态响应曲线则展示了在负载变化时输出电压的响应情况，这些特性对于确保电路在实际应用中的稳定性至关重要。

六、引脚描述

引脚	名称	功能
1	OSC	振荡器输入，连接到MAX1800或MAX1802的OSC引脚，振荡器频率需在100kHz至1MHz之间。
2	GND	接地
3	REF	1.25V参考输入，连接到MAX1800或MAX1802的REF引脚，REF需高于1V控制器才能开启，需用0.1µF或更大的电容旁路到GND。
4	DCON	最大占空比控制输入，连接到REF或IN可设置默认最大占空比，通过电阻分压器从REF连接到DCON可将最大占空比设置在40%至90%之间，将DCON拉至0.35V以下可关闭控制器。
5	COMP	控制器补偿，跨导误差放大器的输出，连接串联电阻和电容到GND以补偿控制环路。
6	FB	控制器反馈输入，通过反馈电阻分压器从输出连接到FB以设置输出电压，调节电压为VREF（1.25V）。
7	IN	IC电源偏置输入，用0.1µF或更大的陶瓷电容旁路到GND，电源范围为2.7V至5.5V。
8	DL	外部MOSFET栅极驱动输出，DL在IN和GND之间摆动，典型驱动电流为500mA，连接到外部开关N沟道MOSFET的栅极。

七、详细设计要点

1. 主从配置

MAX1801从MAX1800或MAX1802主DC - DC转换器获取输入电源、电压参考和振荡器信号。这种主从配置通过消除冗余电路降低了系统成本，并且通过同步转换器开关控制了噪声的谐波含量。

2. 升压DC - DC控制器

MAX1801以低噪声固定频率PWM模式工作，输出功率受外部组件限制。它通过调制外部N沟道MOSFET开关的驱动信号脉冲宽度来调节输出电压，开关频率由主转换器设置，范围为100kHz至1MHz。

3. 参考电压

MAX1801需要1.25V的参考电压，从MAX1800或MAX1802获取。在关机模式下，REF通常吸收0.5µA电流，在活动模式下为3µA，启动时最多为30µA。如果多个MAX1801控制器同时开启，要确保主电压参考能提供足够的电流，或者用合适的单位增益放大器缓冲参考电压。

4. 振荡器

MAX1801需要0至1.25V的锯齿波振荡器信号，从MAX1800或MAX1802获取。该信号设置转换器的开关频率，用于控制脉宽调制和最大占空比。

5. 最大占空比

MAX1801利用OSC处的主生成振荡器信号、DCON处的电压和内部比较器来限制其最大开关占空比。限制占空比可以防止某些磁性组件饱和，较低的最大占空比还可以使转换器工作在不连续电流模式，以牺牲一点效率为代价简化设计稳定性。

6. 软启动

MAX1801具有软启动功能，通过在1024个振荡器周期内将输出电压斜坡上升到调节电压，限制浪涌电流并防止启动时电池过度负载。

7. 关机

将VDCON设置为小于0.35V可使MAX1801进入睡眠模式，电源电流降至5µA；将VREF设置为低于0.4V可使MAX1801进入关机模式，电源电流降至10nA。当VDCON和VREF都处于正常水平时，MAX1801进入软启动。

8. 短路保护

MAX1801具有故障保护功能，可防止输出短路对变压器耦合或SEPIC电路造成损坏。如果输出电压超出调节范围，COMP处的电压将被钳位在2.7V。如果此条件在软启动后的任何时间持续1024个振荡器时钟周期，MAX1801将被禁用，以防止过大的输出电流。可通过将DCON或IN处的电压循环至GND再恢复到正常状态来重启控制器。在升压应用中，由于通过电感器和输出整流器到短路的直流电流路径，短路电流不受限制。如果在升压配置中需要短路保护，必须使用保险丝等保护装置来限制短路电流。

八、设计流程

1. 开关频率

MAX1801的开关频率由MAX1800或MAX1802主转换器设置。通常，400kHz至500kHz的开关频率在组件尺寸和效率之间提供了良好的平衡，较高的频率一般允许使用更小的组件，而较低的频率则能提供更好的转换效率。

2. 设置输出电压

通过从输出连接电阻分压器到FB来设置MAX1801的输出电压。由于FB输入偏置电流小于100nA，选择R2为100kΩ以最小化FB处输入偏置电流的影响，根据公式(R1 = R2(frac{V{OUT}}{V{FB}} - 1))选择R1，其中VFB为1.25V。

3. 设置最大占空比

OSC处的主振荡器信号和DCON处的电压用于生成内部时钟信号。最大占空比可通过公式(D{MAX}=frac{R4}{R3 + R4}(1 - f{OSC}t_{FALL}))近似计算，其中fOSC和tFALL分别为振荡器频率（Hz）和下降时间（通常为100ns）。在100kHz时，可调最大占空比范围通常为28%至92%。如果VDCON等于或高于VREF（1.25V），最大占空比通常默认设置为78%；如果VDCON小于0.4V，控制器将关闭。

4. 电感器选择

• 连续电感器电流：对于大多数MAX1801升压设计，合理的电感器值（LIDEAL）可通过公式(L{IDEAL}=frac{3(V{IN}-V{SW})D(1 - D)}{I{OUT}t{OSC}})计算，其中D为占空比，(D approx 1 - frac{V{IN}}{V{OUT}+V{D}})，VSW为N沟道MOSFET开关的电压降，VD为整流器的正向电压降。电感值小于LIDEAL时，最大电感器电流会增加，需要更大的输出电容来保持输出纹波。当IOUT从确定LIDEAL的值减小超过六倍时，电感器电流将变为不连续。
• 不连续电感器电流：在不连续模式下，MAX1801控制器通过调整占空比来调节输出电压，以确保在最坏负载条件（最大IOUT）下的调节。选择(L leq frac{V{OUT}D{MAX}}{2}I{OUT}f{OSC})，电感器的饱和电流额定值应满足或超过计算出的峰值电感器电流。

5. 输入和输出滤波电容器

• 输入电容器（CIN）：在升压设计中，输入电容器可减少从电池或输入电源吸取的电流峰值，并减少控制器中的开关噪声。输入电容器在开关频率下的阻抗应小于输入源的阻抗，以防止高频开关电流通过输入源。
• 输出电容器：输出电容器用于保持输出电压纹波小，并确保调节控制环路的稳定性。输出电容器在开关频率下必须具有低阻抗，钽电容器和陶瓷电容器是不错的选择。钽电容器通常具有高电容和中低等效串联电阻（ESR），输出纹波近似为(V{RIPPLE} approx I{L(PEAK)}ESR)；陶瓷电容器通常具有较低的ESR，但电容相对较小，输出纹波近似为(V{RIPPLE} approx I{L(PEAK)}Z{C})，其中(Z{C} approx frac{1}{2pi f{OSC}C{OUT}})。

6. 旁路电容器

如果MAX1801远离MAX1800或MAX1802主IC，开关电路的噪声可能会影响MAX1801，此时需要用0.1µF或更大的陶瓷电容器旁路REF和IN。如果噪声不是问题或MAX1801靠近主IC，则不需要额外的旁路。

7. MOSFET选择

MAX1801控制器驱动外部逻辑电平N沟道MOSFET作为电路开关元件，关键选择参数包括导通电阻（RDS(ON)）、最大漏源电压（VDS(MAX)）、最小阈值电压（VTH(MIN)）、总栅极电荷（Qg）和反向传输电容（CRSS）。由于外部栅极驱动（DL）在IN和GND之间摆动，应选择导通电阻在VIN或以下指定的MOSFET。MOSFET的功耗包括导通电阻损耗和过渡损耗，总功耗为两者之和。

8. 二极管选择

对于低输出电压应用，使用肖特基二极管整流输出电压，因为其具有低正向电压和快速恢复时间。但肖特基二极管在高反向电压和高温下会出现明显的泄漏电流，因此对于高电压、高温应用，应使用超快结整流器。

9. 补偿设计

MAX1801转换器使用电压模式调节输出电压，补偿设计根据电感器电流是连续还是不连续而有所不同。

• 不连续电感器电流：PWM转换器有一个单极点，极点频率和直流增益取决于工作占空比。通过选择合适的补偿电阻和电容，可实现稳定的电路。
• 连续电感器电流：控制环路的响应包括一个右半平面零点和一个复极点对，为了稳定运行，控制器环路增益必须在远低于右半平面零点频率的频率下降至单位（0dB）。通常使用输出电容器ESR产生的零点来补偿控制电路，增加交叉频率附近的相位，提高相位裕度。

九、应用信息

1. 与MAX1800升压主DC - DC转换器配合使用

MAX1801使用MAX1800的参考电压和振荡器信号。MAX1800可从1.5V至5.5V输入电压工作，适用于2或3节碱性、NiCd或NiMH电池，或1节锂原电池或锂离子（Li +）电池的应用。

2. 与MAX1802降压主DC - DC转换器配合使用

MAX1801使用MAX1802的参考电压和振荡器信号。MAX1802可从2.7V至11V输入电压工作，适用于4节串联碱性、NiCd或NiMH电池，或2节串联锂原电池或（Li +）电池的应用。

3. SEPIC配置

当电池电压高于或低于所需输出电压时，可使用SEPIC转换器。电感L1和L2可以是单独的电感器，也可以绕在同一磁芯上并像变压器一样耦合。使用耦合电感器通常可以提高效率，C2应选择低ESR类型的电容器，其纹波电流额定值必须大于输入和输出电流中的较大值。MOSFET的漏