MAX1980：多相 DC - DC 转换器的高效从控制器

在电子设计领域，低电压、高电流的多相 DC - DC 应用一直是一个重要的研究方向。为了满足这一应用需求，Maxim 推出了 MAX1980 降压从控制器。它能与 Maxim 的 Quick - PWM 降压主控制器配合，组成高性能的多相 DC - DC 转换器。下面就为大家详细介绍这款从控制器。

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芯片概述

MAX1980 是一款专门为低电压、高电流、多相 DC - DC 应用设计的降压从控制器。它可以与任何 Maxim 的 Quick - PWM 降压控制器结合，形成多相 DC - DC 转换器。现有的 Quick - PWM 控制器，如 MAX1718，可作为主控制器，提供精确的输出电压调节、快速的瞬态响应和故障保护功能。而 MAX1980 同步于主控制器的低侧栅极驱动器，具备 Quick - PWM 恒定导通时间控制器、同步整流器的栅极驱动器、有源电流平衡和精确的电流限制电路。

核心特性

高效与精准的电流控制

• 精确的有源电流平衡：MAX1980 通过跨导放大器对主从电流检测信号进行积分，能精确平衡电感电流，电流平衡误差仅为 ±1.25mV。这种精确的平衡控制使得多相系统中各相的负载分配更加均匀，降低了单个元件的应力，提高了系统的整体可靠性和效率。
• 精确的电流限制：采用独特的“谷值”电流检测算法，能有效防止过流情况的发生。其电流限制阈值可通过 ILIM 输入进行精确调节，在 400mV 至 1.5V 的 ILIM 电压范围内，电流限制阈值电压为 0.1 × VILIM。同时，还具备负电流限制功能，可防止输出端吸收电流时电感电流反向过大。

灵活的工作模式

• 驱动禁用模式：当 (overline{DD}) 引脚为低电平时，MAX1980 会禁用驱动器（DL 和 DH 输出为低），使主控制器在轻载条件下进入低功耗脉冲跳跃模式，提高了轻载效率。而当 (overline{DD}) 为高电平时，MAX1980 则恢复正常的 PWM 工作模式。
• 可选的触发极性和开关频率：通过设置 POL 引脚，可以选择在主控制器低侧栅极驱动器的上升沿（异相操作）或下降沿（同相操作）触发新的周期。此外，MAX1980 还提供 200kHz/300kHz/550kHz 三种可选的开关频率，方便设计师根据具体应用需求进行调整。

宽输入电压范围与低功耗

• 宽输入电压范围：支持 4V 至 28V 的电池输入范围，适应多种不同的电源环境。
• 低功耗设计：正常工作时的静态电流较低，例如 VCC 的静态电流典型值为 525µA；在待机模式下，功耗更低，VCC 的待机电流典型值仅为 20µA，有助于降低系统的整体功耗。

关键技术原理

导通时间控制与有源电流平衡

MAX1980 采用恒定导通时间、电压前馈架构。其高端开关的导通时间由一个单稳态触发器决定，该触发器的周期与输入电压成反比，与补偿电压（VCOMP）成正比。通过两个相同的跨导放大器对主从电流检测信号的差值进行积分，将积分结果连接到 COMP 引脚，从而调整导通时间，实现电流平衡。具体公式为 (t{ON} = Kleft(frac{V{COMP}}{V{IN}}right))，其中 (V{COMP} = V{OUT} + I{COMP}Z{COMP})，(I{COMP} = G{MM}(V{CM+}-V{CM-}) - G{MS}(V{CS+}-V{CS-}))。

同相和异相操作

• 异相操作：当 POL 引脚连接到 VCC 时，MAX1980 在主控制器低侧栅极驱动器的上升沿触发，实现异相操作。这种操作方式可使各相的瞬时输入电流峰值不重叠，从而降低输入和输出电压纹波以及 RMS 纹波电流，减少输入和输出电容的需求，降低 EMI 屏蔽要求。
• 同相操作：将 POL 引脚连接到 GND 时，MAX1980 在下降沿触发，进行同相操作。在 duty factor 约为 50% 的应用中，同相操作可提高系统的抗噪声能力，但会使输入电容需要承受更大的瞬时输入电流，导致纹波电压和电流增加。

电流限制电路

从控制器电流限制

从控制器采用“谷值”电流检测算法，当电流检测信号超过电流限制阈值时，MAX1980 不会启动新的周期。实际的电感峰值电流会比电流限制阈值大一个电感纹波电流的值。此外，还设有负电流限制，防止输出端吸收电流时电感电流反向过大。

主控制器电流限制调整

MAX1980 包含一个精密的电流限制比较器，通过 CM + 和 CM - 差分检测主控制器的电感电流。当主控制器的电流检测电压超过从控制器中 ILIM 设置的电流限制时，开漏电流限制比较器会将 LIMIT 引脚拉低，该信号经过滤波后用于调整主控制器的电流限制阈值，提高主控制器的电流限制精度。

设计要点

元件选择

设计时需根据输入电压范围、最大负载电流、开关频率等参数选择合适的元件。

• 电感：根据开关频率和纹波电流比计算电感值，例如在典型应用中，当 (eta = 2)，(I{LOAD} = 40A)，(V{IN} = 12V)，(V{out} = 1.3V)，(f{sw} = 300kHz)，30% 纹波电流（(LIR = 0.3)）时，计算得出电感值 (L = 0.64mu H)。同时，要选择低损耗、直流电阻尽可能小且能在规定尺寸内工作的电感。
• MOSFET：高端 MOSFET 需能在 VIN(MIN) 和 VIN(MAX) 下承受电阻损耗和开关损耗；低端 MOSFET 应选择导通电阻尽可能小、封装尺寸适中且价格合理的型号。
• 电容：输出电容需满足输出纹波和负载瞬态要求，同时要考虑 ESR 对稳定性的影响；输入电容要满足开关电流带来的纹波电流要求。

电流限制设置

主从控制器的电流限制阈值必须足够大，以支持最大负载电流。设置时，先根据工作条件和低端 MOSFET 的特性设置主控制器的电流限制，再配置从控制器以调整主控制器的电流限制阈值。例如，在典型应用中，通过计算电感的峰 - 峰电流和谷值电流限制，确定主从控制器的电流限制阈值，并通过电阻分压器来精确设置 ILIM 输入的电压。

PCB 布局

合理的 PCB 布局对实现低开关损耗和稳定的工作至关重要。要遵循以下原则：

• 保持高电流路径短，特别是接地端，确保稳定、无抖动的运行。
• 将所有模拟地连接到一个独立的实心铜平面，并连接到 MAX1980 的 GND 引脚。
• 主控制器也应有独立的模拟地，将敏感元件连接到该平面。
• 保持功率走线和负载连接短，使用厚铜 PCB 板可提高满载效率。
• 保持高电流栅极驱动器走线（DL、DH、LX 和 BST）短而宽，以最小化走线电阻和电感。
• 使用 Kelvin 检测连接来保证电流检测的准确性。
• 优先让电感充电路径比放电路径长。
• 避免高速开关节点靠近敏感模拟区域，将引脚控制输入连接到模拟地或 VCC。

应用优势

笔记本电脑和服务器电源

在笔记本电脑和服务器中，CPU 核心电源需要低电压、高电流的稳定供电。MAX1980 的多相设计和精确的电流控制能够有效降低电感的峰值电流，减少元件的应力和发热，提高电源的效率和稳定性。同时，其低功耗模式和宽输入电压范围也能满足不同应用场景的需求。

电压定位应用

电压定位功能可以根据负载电流动态降低输出电压，减少处理器的功耗。在实际应用中，通过外部运算放大器和电流检测电阻实现电压定位，能够在负载变化时快速调整输出电压，提高系统的整体效率。

总之，MAX1980 凭借其丰富的功能特性、精确的控制算法和灵活的设计选项，为多相 DC - DC 应用提供了一个高效、可靠的解决方案。电子工程师们在设计相关电路时，可以充分利用 MAX1980 的优势，实现更优化的电源设计。大家在使用 MAX1980 过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的设计思路呢？欢迎在评论区交流分享。