MAX5092/MAX5093：4V - 72V输入LDO与升压预调节器的完美结合

在电子设计领域，电源管理始终是一个关键环节。对于需要宽输入电压范围且对功耗有严格要求的应用场景，一款性能出色的电源芯片至关重要。今天，我们就来深入探讨一下Maxim Integrated推出的MAX5092/MAX5093系列，这两款芯片是4V至72V输入的LDO（低压差线性稳压器），并集成了升压预调节器，为我们的设计带来了诸多便利和优势。

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一、产品概述

MAX5092A/MAX5092B/MAX5093A/MAX5093B是低静态电流、低压差的稳压器，内部包含高频升压预调节器。它们能够在冷启动到负载突降（3.5V至80V）的输入电压条件下，无缝提供预设的3.3V（MAX5092A/MAX5093A）或5V（MAX5092B/MAX5093B）LDO输出电压，最大输出电流可达250mA，同时具备出色的负载和线性调节能力。

在正常工作且电池状态良好时，升压预调节器会完全关闭，将静态电流降至65μA（典型值），这使得该系列芯片非常适合始终开启的电源应用。此外，LDO和升压预调节器的组合实现了降压 - 升压操作，只需使用一个现成的电感器，取代了典型单端初级电感转换器（SEPIC）和基于变压器的反激拓扑所需的多绕组定制磁性元件，大大减小了元件尺寸。

二、产品特性

1. 宽输入电压范围

支持3.5V至72V的宽输入电压范围，启动电压为4V，能够适应各种复杂的电源环境。

2. 灵活的输出电压

LDO输出电压可预设为3.3V或5V，也可通过外部电阻进行编程调节，调节范围为1.5V至9V（MAX5092）或1.5V至10V（MAX5093）；升压预调节器输出电压预设为7V，同样可通过外部电阻调节，最高可达11V（MAX5092）或12V（MAX5093）。

3. 低功耗设计

在LDO模式下（ (V_{IN } ≥8 ~V) ），静态电流仅为65μA；关机电流低至5μA，有效降低了系统功耗。

4. 保护功能完善

具备输出过载、短路和热保护功能，确保芯片在异常情况下的安全性和稳定性。同时，还拥有可编程超时时间的上电复位（RESET）输出，方便系统进行复位操作。

5. 散热性能良好

采用热增强型16引脚5mm x 5mm薄型QFN封装，在多层PCB板上，+70°C时可散热高达2.7W，保证了芯片在高负载下的稳定运行。

三、电气特性

1. 输入电源特性

• 输入电压范围为4V至72V，内部输入欠压锁定（UVLO）阈值在 (V_{IN}) 下降时为3.0 - 3.4V，上升时为3.4 - 3.8V。
• 静态电流在LDO模式下，当 (I{OUT }= 100µA) 时为65 - 85μA， (I{OUT }= 250mA) 时为70 - 100μA；升压转换器开启时，电源电流为0.4 - 1.0mA；关机电源电流为6 - 10μA。

2. 升压转换器特性

• 最小BSOUT输出电流在 (V_{IN }= 4V) 时为250mA。
• 升压转换器启用阈值为1.7 - 2.3V，禁用阈值为2.2 - 2.8V，禁用迟滞为0.5V。
• BSOUT输出电压在 (V{IN }= 4V) 、 (BSFB = SGND) 、 (V{OUT }= 5V) 时为7.00V，最大BSOUT输出电压MAX5092_为11V，MAX5093_为12V。

3. LDO特性

• 保证输出电流在 (V{BSOUT } - V{OUT } = 2V) 时为250mA。
• 输出电压在预设模式下，MAX5092A/MAX5093A为3.25 - 3.35V，MAX5092B/MAX5093B为4.900 - 5.075V；可调节输出电压范围为1.5 - 9V（MAX5092）或1.5 - 10V（MAX5093）。
• 压差电压在 (I_{OUT }= 250mA) 时为0.9 - 1.6V，LDO启动响应时间为200μs。
• 线性调节率在7V ≤ (V{IN } ≤ 72V) 、 (I{LOAD }= 10mA) 时为0.4 - 0.5mV/V，7V ≤ (V{IN } ≤ 28V) 、 (I{LOAD }= 250mA) 时为1.6mV/V。

四、引脚说明

MAX5092/MAX5093共有16个引脚，每个引脚都有其特定的功能：

• IN：输入电源电压，需通过一个47µF（低ESR）铝电解电容器与一个1µF陶瓷电容器并联旁路到电源接地平面。
• EN：使能输入，高电平开启芯片，低电平禁用芯片，直接连接到IN可实现始终开启操作。
• SGND：信号接地，连接到信号接地平面和外露焊盘，与电源接地平面在输入电容器的负极端连接。
• HOLD：输出保持，当HOLD为低电平时，调节器存储输出的开启状态，即使EN为低电平，调节器仍保持启用状态。
• PGND_LDO：LDO电源接地，连接到电源接地平面，并与信号接地平面连接。
• SET：LDO反馈输入，直接连接到SGND可将LDO输出电压设置为预设值，连接到外部电阻分压器的中心抽头可设置不同的输出电压。
• OUT_SENSE：LDO调节器输出检测，连接到负载附近输出电容器的OUT端。
• OUT：LDO调节器输出，通过一个10µF陶瓷电容器旁路到电源接地平面，输出电压可预设或调节。
• BSOUT：升压调节器输出电压，通过一个22µF（低ESR）铝电解电容器与一个1µF陶瓷电容器并联旁路到PGND_BST接地平面，输出电压可预设或调节。
• LX：电感连接到内部功率MOSFET的漏极，引脚10和11应尽可能靠近器件连接，MAX5093还需连接到外部肖特基二极管的阳极。
• PGND_BST：升压调节器电源接地，连接到电源接地平面，并与信号接地平面在输入电容器的负极端连接。
• BSFB：升压调节器反馈输入，直接连接到SGND可将升压调节器输出电压设置为7V，连接到外部电阻分压器的中心抽头可设置不同的输出电压。
• VL：内部调节器输出，为IC供电，通过一个1µF/6.3V陶瓷电容器旁路到SGND，当 (V{BSOUT }) 高于5.5V时， (V{VL }) 调节到5.5V。
• CT：RESET超时编程输入，连接一个电容器到SGND可设置RESET超时时间。
• RESET：RESET输出，为开漏输出，当 (V{OUT }) 超过输出电压阈值的92%时，经过编程的时间延迟后变为高阻态；当 (V{OUT }) 低于调节后的LDO输出电压的90%时，立即拉低。
• EP：外露焊盘，连接到信号接地平面（SGND），连接到大型信号接地平面可提高散热性能。

五、功能框图

MAX5092_和MAX5093_的功能框图展示了其内部结构和工作原理。芯片内部包含升压转换器、LDO、控制逻辑、热关断和过流保护等模块，通过合理的电路设计实现了高效的电源转换和稳定的输出。

六、详细工作原理

1. 升压转换器

采用最小关断时间、最大导通时间脉冲频率调制（PFM）控制方案。当 (V{BSOUT }) 低于由 (V{BSFB }) 确定的调节点时，内部MOSFET导通；当电感电流达到峰值电流限制（典型值2.5A）或最大导通时间2.25μs时，MOSFET关断，关断后至少保持1μs。新的开关周期在 (V_{BSOUT }) 低于阈值时启动。

2. 线性调节器

内部采用p沟道MOSFET作为LDO的传输晶体管，升压调节器的输出连接到p-MOSFET的源极。LDO在升压调节器启动200μs后启动，最大输出电流为250mA，典型压差电压为0.9V。LDO输出电压可通过SET输入进行设置。

3. 内部调节器（VL）

为所有内部低压模块供电，通过一个1μF陶瓷电容器旁路到SGND。当 (V{BSOUT }) 高于5.5V时， (V{VL }) 调节到5.5V；当 (V{BSOUT }) 低于5.5V时， (V{VL }) 跟踪 (V_{BSOUT }) 的电压。

4. 上电复位输出（RESET）

当LDO输出电压（ (V{OUT }) ）低于标称输出电压的90%时，RESET经过短暂延迟后拉低；当 (V{OUT }) 高于标称输出电压的92%时，经过编程的复位超时时间后，RESET变为高阻态。

5. 使能和保持输入

通过EN（高电平有效）和HOLD（低电平有效）两个逻辑输入实现自保持电路。例如，点火开关将EN拉高，调节器开启；若HOLD随后被拉低，即使EN变为低电平，调节器仍保持开启状态。

七、应用电路

文档中给出了MAX5092B、MAX5093B、MAX5092A和MAX5093A的典型应用电路，展示了不同预设和可调节输出电压的配置方式。这些电路为工程师提供了实际设计的参考，方便根据具体需求进行应用开发。

八、设计指南

1. 输入电容和升压电容选择

• 输入电容（ (C_{IN}) ）：由于升压转换器的输入电流波形连续，通常对输入电容的容量要求不高。但为了应对冷启动压降，建议使用大容量、低ESR的电容器。在低温情况下，可选择ESR低于40mΩ的电解液电容器或并联一个10μF的低ESR陶瓷电容器。
• 升压电容（ (C{BSOUT}) ）：升压转换器输出电流波形不连续，需要在BSOUT端使用大容量、低ESR的电容器，以确保低 (V{BSOUT }) 纹波。可使用以下公式计算所需的ESR： (ESR {BSOUT }=frac{Delta V{ESRBS }}{I{LIM }-I{OUT }}) ，其中 (Delta V{ESRBS }) 为 (V{BSOUT }) 总峰 - 峰纹波的75%， (I{LIM }) 为内部开关电流限制（最大3A）， (I{OUT }) 为LDO输出电流。同时，可使用公式 (Delta V{CBS}=frac{I{OUT } × 2.7 × 10^{-6}}{C_{BSOUT }}) 估算电容器放电引起的纹波。

2. 电感选择

MAX5092/MAX5093的控制方案允许灵活选择电感值。较小的电感值通常具有较小的物理尺寸，但可能会增加纹波；较大的电感值可提供更高的效率和较小的纹波，但可能会降低最大输出电流。为了获得最大输出电流，可选择电感值满足 (L leq frac{V{IN } × t{ON-MAX }}{I{LIM }}) 的电感，其中 (t{ON-MAX }) 典型值为2.25μs， (I{LIM }) 最大为3A，同时应选择最大饱和电流（ (I{SAT }) ）大于3A的电感。

3. 设置升压输出电压（ (V_{BSOUT }) ）

具有预设和可调两种模式。预设模式下，将BSFB直接连接到SGND， (V{BSOUT }) 设置为7V；可调模式下，将BSFB连接到外部电阻分压器的中心抽头，可通过公式 (R 1=R 2 timesleft(frac{V{BSOUT }}{V{BSFB }}-1right)) 计算电阻值，其中 (V{BSFB }) 为BSFB的调节电压（典型值1.24V）。

4. 设置LDO输出电压（ (V_{OUT }) ）

同样具有预设和可调两种模式。预设模式下，将SET连接到SGND， (V{OUT }) 调节到3.3V（MAX5092A/MAX5093A）或5V（MAX5092B/MAX5093B）；可调模式下，将SET连接到外部电阻分压器的中心抽头，可通过公式 (R 4=R 5 timesleft(frac{V{OUT }}{V{SET }}-1right)) 计算电阻值，其中 (V{SET }) 为SET的调节电压（典型值1.24V）。

5. 肖特基二极管选择（MAX5093_）

MAX5093_需要在LX和BSOUT之间连接一个外部二极管。建议选择肖特基二极管，其具有快速恢复时间和低正向电压降的特点。二极管的峰值电流额定值应大于或等于内部升压转换器MOSFET的峰值电流限制，平均正向电流额定值至少为1A，反向击穿电压应大于最坏情况下的负载突降条件电压。

6. CT电容选择

通过连接一个电容器从CT到SGND可设置RESET超时时间，计算公式为 (C{CT}=frac{2 × 10^{-6} × t{DELAY }}{1.24}) ，其中 (t_{DELAY }) 为所选的RESET有效超时时间。

7. 最大输出电流（ (I_{OUT_MAX }) ）

MAX5092_/MAX5093的最大输出电流受封装功率耗散限制。可根据环境温度使用公式计算允许的封装耗散功率（ (P{DISS }) ），再通过公式 (I_{OUTMAX }=frac{P{DISS }-P{LOSS (BST) }}{V{IN }-V{OUT }}) 计算最大输出电流，其中 (P{LOSS (BST) }) 为升压转换器的功率损耗。

8. PCB布局指南

• 使用大面积铜平面作为SGND，并将其焊接到外露焊盘，将铜平面暴露在PCB的顶部和底部，以提高散热性能。
• 隔离功率元件和高电流路径与敏感模拟电路，保持高电流路径短，特别是在接地端子处。
• 将输入电容器和升压输出电容器的返回端子连接到PGND_BST电源接地平面，在输入电容器的负极端将电源接地和信号接地平面连接。
• 确保反馈连接短而直接，保证BSFB和SGND之间的低阻抗路径，将BSFB的瞬态限制在100mV以内。
• 路由高速开关节点远离敏感模拟区域，使用内部PCB层作为SGND的EMI屏蔽，减少辐射噪声对IC、反馈分压器和旁路电容器的影响。

九、总结

MAX5092/MAX5093系列芯片以其宽输入电压范围、灵活的输出电压调节、低功耗设计和完善的保护功能，为电子工程师在电源管理设计中提供了一个优秀的解决方案。通过合理选择元件和遵循PCB布局指南，能够充分发挥芯片的性能，满足各种应用场景的需求。在实际设计中，工程师们可以根据具体的项目要求，灵活运用这些芯片，打造出高效、稳定的电源系统。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。