MAX1964/MAX1965 电源控制器：设计与应用全解析

引言

在电子设备的设计中，电源管理是至关重要的一环。对于成本敏感且对电压排序/跟踪有要求的应用，如电缆调制解调器、xDSL 设备和机顶盒等，MAX1964/MAX1965 电源控制器提供了一种经济高效的解决方案。今天我们就来深入探讨这两款控制器的特点、工作原理、设计要点以及应用案例。

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MAX1964/MAX1965 概述

基本功能

MAX1964 和 MAX1965 是专为满足成本敏感型应用的电压排序/跟踪需求而设计的电源控制器。它们可以在低成本、未稳压的直流电源（如壁式适配器输出）下工作，其中 MAX1964 可产生三个正输出，MAX1965 能产生四个正输出和一个负输出，为系统提供了经济实惠的电源解决方案。

内部结构

MAX1964 包含一个电流模式同步降压控制器和两个正调节器增益块，而 MAX1965 在此基础上多了一个正增益块和一个负调节器增益块。主同步降压控制器可产生高电流输出，预设为 3.3V，也可通过外部电阻分压器在 1.236V 至 0.75 × VIN 范围内进行调节。其 200kHz 的工作频率允许使用低成本的铝电解电容器和功率磁性元件。

关键特性分析

输入电压范围

这两款控制器的输入电压范围为 4.5V 至 28V，能适应多种电源输入，为不同的应用场景提供了灵活性。

DC - DC 降压转换器

• 输出电压可调：既可以预设为 3.3V，也能在一定范围内进行调节，满足不同负载对电压的需求。
• 固定频率 PWM 控制：200kHz 的固定频率 PWM 控制器，有助于减少电磁干扰，提高系统的稳定性。
• 无电流检测电阻：通过检测低端 MOSFET 的导通电阻上的电压来提供电流限制信号，避免了使用昂贵的电流检测电阻，降低了成本。
• 可调电流限制：用户可以根据实际需求调整电流限制阈值，增强了系统的安全性和可靠性。
• 高效软启动：高达 95% 的效率和软启动功能，可减少启动时的电流冲击，保护电路元件。

  模拟增益块

• 正模拟块：驱动低成本的 PNP 通晶体管，构建正线性稳压器，可直接从主降压转换器产生低电压轨，或通过降压转换器的耦合绕组产生更高电压。
• 负模拟块（仅 MAX1965）：驱动低成本的 NPN 通晶体管，构建负线性稳压器，可产生 -5V、 -12V 或 -15V 等负电压。

  电源良好指示

  提供电源良好输出（POK），可监测所有输出电压，方便用户了解系统的电源状态。

  电压排序/跟踪

  MAX1964 具有电压排序功能，MAX1965 具有电压跟踪功能，确保系统在启动过程中各电源的电压按顺序或同步上升，避免因电压异常导致的设备损坏。

工作原理详解

DC - DC 控制器

采用脉冲宽度调制（PWM）电流模式控制方案。内部跨导放大器在 COMP 引脚建立积分误差电压，电流模式 PWM 控制器的核心是一个开环比较器，它将积分电压反馈信号与放大的电流检测信号加上斜率补偿斜坡进行比较。在内部时钟的每个上升沿，高端 MOSFET 导通，直到 PWM 比较器触发或达到最大占空比。在导通期间，电流通过电感上升，为输出提供电流并在磁场中存储能量。在周期的后半部分，高端 MOSFET 关闭，低端 N 沟道 MOSFET 导通，电感释放存储的能量，为输出提供电流。

电流检测放大器

放大由高端 MOSFET 的导通电阻产生的电流检测电压，该放大信号与内部斜率补偿信号相加后输入到 PWM 比较器的反相输入端，当该和超过积分反馈电压时，PWM 比较器关闭高端 MOSFET。

电流限制电路

采用独特的“谷值”电流限制算法，使用低端 MOSFET 的导通电阻作为传感元件。如果在新的振荡器周期开始时，低端 MOSFET 上的电压超过电流限制阈值，MAX1964/MAX1965 将不会开启高端 MOSFET。在可调模式下，电流限制阈值电压约为 ILIM 引脚电压的五分之一。

同步整流驱动器（DL）

同步整流通过用低电阻 MOSFET 开关代替普通肖特基续流二极管，降低了整流器中的传导损耗。DL 低端驱动波形始终是 DH 高端驱动波形的互补（具有受控的死区时间，以防止交叉导通）。

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跨电容升压电路产生。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，开关电源通过闭合 BST 和 DH 之间的内部开关开启高端 MOSFET，为高端开关提供必要的栅源电压。

内部 5V 线性稳压器（VL）

除电流检测放大器外，MAX1964/MAX1965 的所有功能均由片上低压差 5V 稳压器内部供电。其最大输入电压为 28V，输出（VL）需用至少 1µF 的陶瓷电容旁路到地。

欠压锁定

当 VL 降至 3.5V 以下时，欠压锁定（UVLO）电路将禁止开关操作，强制 POK 为低电平，并将 DL 和 DH 栅极驱动器拉低。当 VL 上升到 3.5V 以上时，控制器将启动输出。

启动

当 VL 上升到 3.5V 欠压锁定阈值以上时，MAX1964/MAX1965 开始外部切换。但只有当满足四个条件（VL 超过 3.5V 欠压锁定阈值、内部参考电压超过其标称值的 92%、内部偏置电路启动、未超过热限制）时，控制器才会启用。启动时，软启动电路将逐渐上升到参考电压，以控制降压控制器的上升速率，减少启动时的输入浪涌电流。

输出电压排序（MAX1964）

参考电源启动后，主 DC - DC 降压转换器首先通过软启动启动，当达到其标称值的 92% 且软启动完成后，第一个正线性稳压器启动，当第一个线性稳压器达到其标称值的 92% 时，第二个线性稳压器启动。当所有三个输出电压都超过其标称值的 92% 时，电源良好信号（POK）变为高电平。

输出电压跟踪（MAX1965）

参考电源启动后，控制器同时启动所有五个输出电压。主 DC - DC 降压转换器通过软启动启动，而线性稳压器则完全激活。由于线性稳压器的输入通常连接或派生自降压转换器的输出电压，因此这些输出电压将跟踪降压转换器缓慢上升的输出电压。当所有五个输出电压都超过其标称值的 92% 时，电源良好信号（POK）变为高电平。

电源良好输出（POK）

POK 是一个开漏输出，当任何输出电压低于其标称调节电压的 90% 时，MOSFET 导通，将 POK 拉低。当所有输出电压都超过其标称调节电压的 92% 且软启动完成后，POK 变为高阻态。为了获得逻辑电压输出，可将上拉电阻从 POK 连接到 VL。

热过载保护

当结温超过 160°C 时，热传感器将关闭设备，强制 DL 和 DH 为低电平，使 IC 冷却。当结温下降 15°C 后，热传感器将再次开启设备，在连续热过载条件下会产生脉冲输出。如果 VL 输出短路，热过载保护将被禁用。

设计要点

DC - DC 降压转换器

• 输出电压选择：可将 FB 连接到地以获得预设的 3.3V 输出电压，也可通过连接电压分压器从输出到 FB 再到地来调节输出电压。
• 电感值选择：关键电感参数包括恒定 LIR（电感峰峰值交流电流与直流负载电流之比）、电感值（L）、峰值电流（IPEAK）和直流电阻（RDC）。一般选择 30% 的纹波电流与负载电流比（LIR = 0.3）作为折衷方案，根据公式 (L=frac{V{OUT}(V{IN}-V{OUT})}{V{IN}f_{SWLOAD(MAX)}LIR}) 计算电感值。同时要选择具有最低可能直流电阻且饱和额定值超过峰值电感电流的低损耗电感。
• 设置电流限制：将 ILIM 连接到 VL 可获得默认的 250mV（典型值）电流限制阈值，也可通过连接电阻分压器从 VL 到 ILIM 再到地进行调节。调节时应使用 1% 容差的电阻和 10µA 的分压器电流，以防止电流限制容差显著增加。
• MOSFET 选择：高侧 N 沟道 MOSFET 必须是逻辑电平类型，保证在 (V{GS} ≤ 4.5V) 时有导通电阻规格，且 (I{PEAK} × R{DS(ON)} ≤ 225 mV) 。低侧 MOSFET 的 (R{DS(ON)}) 要足够大以提供适当的电路保护，可根据公式 (R{DS(ON)}=frac{V{VALLEY}}{I_{VALLEY}}) 选择。同时要考虑 MOSFET 的最大漏源电压、最小阈值电压、总栅极电荷和反向传输电容等参数，以及 MOSFET 封装的功率耗散。
• 输入电容选择：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。根据公式 (I{RMS}=I{LOAD}frac{sqrt{V{OUT}(V{IN}-V{OUT})}}{V{IN}}) 计算纹波电流要求，选择能承受该纹波电流且在 RMS 输入电流下温度上升小于 +10°C 的电容，一般优先选择非钽电容。
• 输出电容选择：关键参数包括实际电容值、等效串联电阻（ESR）和额定电压。输出纹波由电容存储电荷的变化和电容 ESR 上的电压降组成，为了最小化输出纹波，需要选择高质量的低 ESR 电容，如铝电解电容与陶瓷电容并联使用。同时，输出电容的 ESR 会影响电路的稳定性和瞬态响应，对于有严格瞬态要求的应用，建议使用低 ESR 高电容的电解电容。
• 补偿设计：使用内部跨导误差放大器的输出进行控制环路的补偿。通过在 COMP 和地之间连接串联电阻和电容形成零极点对，再连接第二个并联电容形成另一个极点。根据系统的直流环路增益和开关频率等参数，确定补偿元件的值，以确保控制系统的稳定性。例如，交叉频率应小于开关频率的五分之一，根据误差放大器的跨导和直流环路增益计算串联补偿电容的值，通过输出电容和负载电阻确定极点位置，再根据情况添加并联补偿电容来抵消输出电容 ESR 产生的零点。

  线性调节器

• 正输出电压选择：通过连接电压分压器从输出到 FB 再到地来设置正线性调节器的输出电压，根据公式 (R3 = R4[(frac{V{OUT}}{V{FB}}) - 1]) 计算电阻值，其中 (V{FB}=1.24V) ，Vout 范围为 1.24V 至 30V。
• 负输出电压选择（仅 MAX1965）：通过连接电压分压器从输出到 FB5 再到正电压参考来设置负输出电压，根据公式 (R5 = R6(frac{V{OUT}}{V{REF}})) 计算电阻值，其中 Vref 是使用的正参考电压，Vout 可设置在 0 至 -20V 之间。如果使用负调节器，OUT 引脚必须连接到 2V 至 5V 的电压源，且该电源至少能提供 25mA 的电流。
• 晶体管选择：通晶体管需要满足电流增益、输入电容、集电极 - 发射极饱和电压和功率耗散等规格要求。晶体管的电流增益会影响最大输出电流和线性调节器的直流环路增益，过高的增益可能导致输出不稳定。同时，要考虑晶体管的输入电容和输入电阻对电路稳定性的影响，以及晶体管在最大输出电流下的饱和电压和封装的功率耗散能力。
• 稳定性要求：线性调节器的稳定性由内部跨导放大器、通晶体管的规格、基极 - 发射极电阻和输出电容等因素决定。通过计算输出电容和负载电阻设置的主导极点、基极 - 发射极电容设置的第二个极点以及反馈电阻和电容设置的第三个极点，确保在单位增益交叉点之后第二个和第三个极点出现，以保证线性调节器的稳定性。如果输出电容的 ESR 产生的零点在单位增益交叉点之前出现，需要通过调整电路元件来消除该零点。
• 线性调节器输出电容：在输出和地之间至少连接 1µF 的电容，并尽可能靠近 MAX1964/MAX1965 和外部通晶体管。根据所选通晶体管，可能需要更大的电容值以确保稳定性，同时要选择 ESR 小于 200mΩ 的输出电容，以保证稳定性和最佳瞬态响应。
• 基极驱动降噪：高阻抗基极驱动器容易受到系统噪声的影响，特别是在轻负载时。为了减少噪声耦合，应使基极驱动走线远离降压转换器并尽量缩短，可在栅极驱动器（DH 和 DL）上串联电阻以减少降压转换器产生的 LX 开关噪声，也可在基极 - 发射极电阻上并联旁路电容，但要注意该电容可能会引入第二个极点，影响线性调节器的稳定性，需要根据稳定性要求确定最大基极 - 发射极电容。

  变压器选择

  在需要更高电压输出的系统中，可使用变压器为正、负线性调节器提供电源。变压器的匝数比决定了未稳压的高电压电源的输出，根据正、负输出电压的不同要求，分别计算所需的最小匝数比。由于功率传输发生在低端 MOSFET 导通时，变压器不能支持高占空比的重负载。

  缓冲器设计

  MAX1964/MAX1965 采用电流模式控制方案，在高端 MOSFET 导通后，使用 60ns 的电流检测消隐期来减少噪声敏感度。但 MOSFET 导通时，变压器的次级电感和二极管的寄生电容会形成谐振电路，导致振铃现象。为了减少这种振铃，可在二极管处添加串联 RC 缓冲器电路，通过增加阻尼系数使振铃迅速衰减。对于有多个变压器绕组的应用，只需在最高输出电压上设置一个缓冲器电路。

应用案例与注意事项

典型应用电路

文档中给出了 MAX1964 和 MAX1965 的标准应用电路，展示了如何将各个元件连接在一起以实现电源控制功能。在设计实际电路时，可以参考这些典型电路，并根据具体需求进行调整。

PC 板布局指南

• 合理放置功率元件，使接地端子相邻，保持高电流路径短，特别是接地端子处。
• 将 MAX1964/MAX1965 靠近开关 MOSFET 安装，确保 IN - LX 电流检测线、LX - GND 电流限制检测线和驱动器线（DL 和 DH）短而宽，并使用 Kelvin 检测连接以保证电流检测和电流限制的准确性。
• 分组安装栅极驱动组件，使其靠近 MAX1964/MAX1965。
• 所有模拟接地应连接到单独的实心铜接地平面，并在 GND 引脚处连接到 MAX1964/MAX1965。
• 确保所有反馈连接短而直接，将反馈电阻尽量靠近 MAX1964/MAX1965 放置。
• 在布线长度需要权衡时，优先保证电感放电路径短，而不是充电路径。
• 避免高速开关节点靠近敏感模拟区域。

  调节高电压

  通过添加共源共栅晶体管来缓冲基极驱动输出，可以配置线性调节器控制器以调节高输出电压。对于正输出电压，可添加 2N5550 高压 NPN 晶体管；对于负输出电压，可添加 2N5401 高压 PNP 晶体管。

  模拟电路的输出滤波

  对于需要同时产生模拟和功率输出的应用，可以在模拟输出上添加 LC 滤波器来过滤噪声，使一个输出电压既能提供模拟输出又能提供功率输出。选择合适的 LC 转折频率以提供所需的衰减，并确保滤波器电感和输出滤波器电容能对输出瞬态产生过阻尼响应。

总结

MAX1964/MAX1965 电源控制器以其丰富的功能、高效的性能和广泛的应用场景，为电子工程师在电源管理设计中提供了一个优秀的选择。但在实际设计过程中，需要综合考虑各种因素，如元件选择、电路布局、稳定性分析等，以确保系统的可靠性和性能。通过深入了解其工作原理和设计要点，我们可以更好地发挥这两款控制器的优势，设计出满足需求的电源解决方案。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。