MAX1992/MAX1993：高效PWM降压控制器的卓越之选

在电子设备的电源管理领域，高效、稳定且具备多种保护功能的降压控制器至关重要。MAX1992/MAX1993作为Maxim推出的Quick - PWM降压控制器，凭借其出色的性能和丰富的特性，在笔记本电脑等设备的低电压电源供应中发挥着重要作用。本文将深入剖析这两款控制器的特点、工作原理及设计要点。

文件下载：MAX1993.pdf

一、产品概述

MAX1992/MAX1993脉冲宽度调制（PWM）控制器具有高效率、出色的瞬态响应和高直流输出精度。它们能够将高压电池降压，为笔记本电脑中的CPU核心、芯片组或RAM等提供低电压电源。

主要特性

1. 电感饱和保护：通过LSAT引脚设置电感电流饱和极限，有效防止电感饱和，保障系统安全稳定运行。
2. 精确的电流限制：采用独特的“谷值”电流传感算法，可精确调整电流限制阈值，适应不同负载需求。
3. 超高效率：能够驱动大型同步整流MOSFET，提升转换效率。
4. Quick - PWM控制：具备100ns的负载阶跃响应，在处理宽输入/输出电压比时表现出色，同时保持相对恒定的开关频率。
5. 动态输出电压：MAX1993支持动态可调输出电压，适用于需要动态调整电压的应用场景。

二、工作原理

1. Quick - PWM控制架构

Quick - PWM是一种伪固定频率、恒定导通时间、电流模式调节器，采用电压前馈技术。它利用输出滤波电容的ESR作为电流传感电阻，输出纹波电压提供PWM斜坡信号。高侧开关导通时间由一个单稳态触发器决定，其脉冲宽度与输入电压成反比，与输出电压成正比。

2. 自动脉冲跳过模式

在轻载时（(overline{SKIP}=GND)），会自动切换到脉冲频率调制（PFM）模式，以提高轻载效率。切换点由电感值和负载电流决定，一般在负载电流达到电感峰 - 峰纹波电流的一半时发生切换。

3. 强制PWM模式

当(overline{SKIP}=V_{CC})时，进入低噪声强制PWM模式。该模式禁用零交叉比较器，使电感电流在轻载时反向，保持开关频率相对恒定，但会增加空载时的5V偏置电流。

三、关键特性详解

1. 电流限制保护

• 谷值电流限制：通过CSP和CSN之间的电流传感电阻实现谷值电流传感。当电流传感信号超过谷值电流限制阈值时，PWM控制器不会启动新的周期。
• 负电流限制：在强制PWM模式下，还实现了负电流限制，防止VOUT吸收电流时电感电流反向过大。
• 电感饱和限制：通过LSAT引脚设置电感饱和阈值，当电感电流超过阈值时，立即关闭高侧栅极驱动器，并在ILIM上启用6µA放电电流。

2. MOSFET栅极驱动器

DH和DL驱动器经过优化，可驱动中等大小的高侧和较大的低侧功率MOSFET。自适应死区时间电路可防止高侧和低侧MOSFET同时导通，避免击穿电流。

3. 上电复位、欠压锁定和软启动

• 上电复位（POR）：当VCC上升到约2V时，复位故障锁存器和软启动计数器，为PWM操作做好准备。
• 欠压锁定（UVLO）：在VCC达到4.25V之前，抑制开关操作。
• 软启动：在启动期间逐步增加内部电流限制水平，减少输入浪涌电流。

4. 电源良好输出（PGOOD）

PGOOD是一个开漏输出，用于连续监测输出电压。在关机和软启动期间，PGOOD被拉低；软启动结束后，若输出电压在标称调节电压的±10%范围内，PGOOD变为高阻抗。

5. 故障消隐（MAX1993 FBLANK）

MAX1993在动态输出电压转换期间自动进入强制PWM操作，FBLANK决定强制PWM操作的持续时间，同时在转换期间禁用过压和欠压故障保护，防止误触发。

6. 关机和输出放电

根据OVP/UVP引脚的设置，可选择是否启用输出放电功能。启用时，关机时通过内部10Ω开关将输出放电到地；禁用时，输出放电速率由负载电流和输出电容决定。

7. 故障保护

• 过压保护（OVP）：当输出电压超过标称调节电压的116%且OVP启用时，关闭PWM控制器，拉低DH并拉高DL，快速放电输出电容。
• 欠压保护（UVP）：当输出电压低于标称调节电压的70%且UVP启用时，设置故障锁存器并进入放电模式。
• 热故障保护：当结温超过+160°C时，激活故障锁存器，拉低PGOOD并关闭控制器。

四、输出电压设置

1. 预设输出电压（仅MAX1992）

通过将FB连接到AGND、VCC或OUT，可分别获得2.5V、1.8V或0.7V的固定输出电压。

2. 电阻分压器设置VOUT

使用电阻分压器可将输出电压从0.7V调整到5.5V。MAX1992将FB调节到0.7V，MAX1993将FB调节到REFIN设置的电压。

3. 动态输出电压（仅MAX1993）

通过改变REFIN的电压，MAX1993可实现动态输出电压调整。在GATE信号的控制下，可切换REFIN电阻分压器中的电阻，从而改变输出电压。

五、设计要点

1. 设计流程

在选择开关频率和电感工作点之前，需确定输入电压范围和最大负载电流。主要设计权衡在于选择合适的开关频率和电感工作点，同时考虑输入电压范围、最大负载电流、开关频率和电感工作点等因素。

2. 电感选择

根据开关频率和电感工作点计算电感值，选择低损耗、直流电阻尽可能低的电感。电感值应使电路在最大负载时工作在临界导通边缘，最佳工作点通常在20% - 50%的纹波电流之间。

3. 瞬态响应

电感纹波电流会影响瞬态响应性能，低电感值可使电感电流更快地上升和下降，减少输出电压的下垂和过冲。

4. 设置电流限制

最小电流限制阈值应足够大，以支持最大负载电流。可通过连接ILIM到VCC设置默认的50mV谷值电流限制阈值，也可使用可调模式精确调整阈值。

5. 输出电容选择

输出滤波电容的ESR应足够低，以满足输出纹波和负载瞬态要求，同时又要足够高以满足稳定性要求。通常根据ESR和电压额定值选择电容。

6. 输入电容选择

输入电容需满足开关电流产生的纹波电流要求，对于大多数应用，非钽电容（陶瓷、铝或OSCON）更适合，以抵抗电源启动时的浪涌电流。

7. 功率MOSFET选择

• 高侧MOSFET：需能在VIN(MIN)和VIN(MAX)下消散电阻损耗和开关损耗，最佳效率时开关损耗应等于导通损耗。
• 低侧MOSFET：应选择导通电阻尽可能低、封装适中且价格合理的MOSFET。

六、应用信息

1. 压差性能

连续导通操作的输出电压可调范围受不可调节的最小关断时间单稳态触发器限制。为获得最佳压差性能，可使用较慢的（200kHz）导通时间设置。

2. 多输出电压设置（仅MAX1993）

MAX1993可通过离散逻辑或DAC产生三个或更多输出电压，通过切换电阻网络中的电阻来改变REFIN的电压。

3. 有源总线终端（仅MAX1993）

在DDR内存架构中，MAX1993可配置为有源总线终端调节器，为内存提供跟踪参考电压的电源。

4. 电压定位

在快速负载瞬变的应用中，电压定位可减少输出电容的使用，最大化输出电压的AC和DC容差窗口。

七、PCB布局指南

PCB布局对于实现低开关损耗和稳定运行至关重要。应遵循以下原则：

1. 保持高电流路径短，特别是接地端子。
2. 保持电源走线和负载连接短，使用厚铜PCB板可提高满载效率。
3. 直接将CSP和CSN连接到电流传感电阻两端，以最小化电流传感误差。
4. 优先保证电感充电路径比放电路径长。
5. 将高速开关节点（BST、LX、DH和DL）与敏感模拟区域（REF、FB、CSP和CSN）分开布线。

总之，MAX1992/MAX1993降压控制器以其高效、稳定和多功能的特点，为电子工程师在电源设计中提供了可靠的解决方案。通过深入了解其工作原理和设计要点，工程师们可以更好地发挥这两款控制器的性能，满足不同应用的需求。你在实际设计中是否遇到过类似控制器的应用难题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。