深入剖析MAX16930/MAX16931：2MHz、36V雙通道降壓轉換器，帶預升壓功能

在汽車電子和分布式電源系統(tǒng)等領域，對高效、穩(wěn)定且具備寬輸入電壓范圍的電源管理芯片需求日益增長。Maxim Integrated的MAX16930/MAX16931 2MHz、36V雙通道降壓轉換器，憑借其獨特的預升壓功能和低靜態(tài)電流特性，成為了眾多工程師的理想選擇。今天，我們就來深入探討這款芯片的特點、工作原理以及設計要點。

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一、產品概述

MAX16930/MAX16931是一款汽車級三路輸出開關電源，集成了兩個同步降壓控制器和一個異步升壓控制器。它能夠在2V至42V的寬輸入電壓范圍內工作，帶有預升壓模式，支持95%的占空比，可滿足汽車冷啟動或引擎啟停等惡劣條件下的應用需求。該芯片的降壓型控制器以180°錯相工作，頻率高達2.2MHz，有助于降低輸出紋波，并避免AM波段干擾。同時，其靜態(tài)電流低至20μA，有效降低了功耗。

二、關鍵特性分析

1. 寬輸入電壓范圍與預升壓功能
   • 芯片可工作在2V至42V的輸入電壓范圍內，預升壓功能允許其在低至2V的輸入電壓下為降壓控制器通道供電，確保系統(tǒng)在汽車電池電壓波動較大的情況下仍能穩(wěn)定工作。
2. 高性能降壓控制器
   • 兩路2MHz降壓控制器采用180°錯相工作模式，有效降低了輸出紋波。其最小導通時間僅為50ns，能夠在汽車電池輸出3.3V、2.2MHz的條件下正常工作。輸出電壓精度高達±1%，可提供固定5.0V/3.3V或1V至10V可調的輸出電壓。
3. 靈活的頻率控制
   • 開關頻率可通過電阻在200kHz至2.2MHz的范圍內進行調節(jié)，同時支持強制固定頻率工作模式、超低靜態(tài)電流的跳脈沖模式和外時鐘同步模式，還具備擴頻選項，可將EMI干擾降至最小。
4. 完善的保護功能
   • 芯片具備電源過壓和欠壓鎖定、過溫和短路保護等功能，確保系統(tǒng)在各種異常情況下的安全性和穩(wěn)定性。
5. 良好的封裝與溫度特性
   • 采用40引腳TQFN - EP和側面防潮QFND - EP封裝，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C，滿足汽車級應用的要求。

三、電氣特性詳解

芯片的電氣特性涵蓋了多個方面，包括電源電壓范圍、供電電流、輸出電壓精度、開關頻率、限流閾值等。例如，在正常工作條件下，電源電壓范圍為3.5V至36V，在預升壓模式下可低至2.0V；供電電流在不同使能和輸出條件下有所不同，待機模式下總耗流可降至30μA（典型值），禁止全部三個控制器時，總耗流進一步降低至6.8μA。

四、工作模式與控制策略

1. 軟啟動
   • 使能降壓轉換器后，軟啟動電路會在6ms（典型值）的時間內逐漸上升基準電壓，減小啟動期間的輸入浪涌電流。啟動條件包括VBIAS超過3.4V（最大值）欠壓鎖定門限和VEN_為邏輯高。
2. 開關頻率與外同步
   • MAX16930提供1MHz至2.2MHz可調節(jié)的內部振蕩器，MAX16931提供200kHz至1MHz可調節(jié)的內部振蕩器。通過在FOSC和AGND之間連接電阻RFOSC來設定開關頻率。芯片還可同步至外部時鐘信號，使FSYNC頻率保持在內部頻率的110%至125%之間，占空比為50%。
3. 輕載高效率跳脈沖模式
   • 當FSYNC為低電平時，芯片進入跳脈沖模式。在此模式下，器件停止開關，直到FB電壓下降至基準電壓以下，然后開始開關操作，直到電感電流達到電感DCR或輸出旁路電阻定義的最大電流的30%（跳脈沖門限）。
4. 強制PWM模式
   • 將FSYNC驅動為高電平，可使芯片進入強制PWM模式，禁止電感電流的過零檢測，防止器件進入跳脈沖模式。該模式可保證開關頻率在所有負載條件下恒定，但會降低輕載條件下的效率。
5. 擴頻功能
   • MAX16930AGLS/MAX16930AGLU/MAX16931AGLS具有擴頻功能，對開關頻率進行±6%的加抖，減小時鐘頻率下的峰值輻射噪聲及其諧波，滿足嚴格的輻射要求。但使用外部時鐘源時，擴頻功能將被禁止。

五、設計步驟與要點

1. 降壓轉換器設計
   • 有效輸入電壓范圍：需注意最小電壓轉換比（VOUT/VIN）可能受限于最小可控導通時間，最大電壓轉換比受限于最大占空比（95%）。為實現連續(xù)傳導，應滿足相應的電壓轉換比條件。
   • 輸出電壓設定：將FB1和FB2連接至BIAS時，可使能固定降壓控制器輸出電壓（5V和3.3V）；若要在1V至10V之間調節(jié)輸出電壓，需在輸出（OUT_）至FB_及AGND之間連接電阻分壓器。
   • 電感選擇：電感的關鍵參數包括電感值（L）、電感飽和電流（IsAT）和直流電阻（RDCR）。應根據典型占空比、峰 - 峰交流電流與直流平均電流之比（LIR）等因素選擇合適的電感。
   • MOSFET選擇：選擇邏輯電平控制的n溝道MOSFET，確保在VGS = 4.5V時保證低阻導通，具備合適的VDS指標和足夠的電流能力。
   • 電容選擇：輸入電容應足以承受輸入紋波電流，保證輸入電壓紋波在設計要求范圍之內；輸出電容的選擇需考慮其ESR和電容值，以滿足輸出紋波和負載瞬態(tài)要求。
2. 升壓轉換器設計
   • 輸出電壓設定：通過在升壓轉換器輸出至FBBST及TERM之間連接電阻分壓器，調節(jié)升壓轉換器輸出電壓。
   • 電感選擇：占空比和頻率對于計算電感大小非常重要，可通過設置FSELBST的輸入電壓選擇升壓頻率。選擇飽和電流額定值高于轉換器峰值開關限流的電感。
   • MOSFET和二極管選擇：升壓n溝道MOSFET應在VGS = 4.5V時可保證導通電阻指標，具備合適的VDS指標和足夠的電流能力；二極管應能提供平均輸出電流加電感峰值電流，可使用肖特基二極管降低功耗。
   • 電容選擇：輸入電容的RMS紋波電流較低，可根據公式計算最小輸入電容值和最大ESR；輸出電容需滿足負載電流要求，ESR應足夠低。
   • 旁路電阻選擇：連接在電池和電感之間的電流檢測電阻（RCS）設定限流值，可根據公式計算RCS的值。

六、布局建議

嚴謹的PCB布局是實現低開關損耗以及干凈、穩(wěn)定工作的關鍵。功率開關級需要特別注意，應遵循以下原則：

1. 大電流通路盡量短，尤其在接地端，以確保穩(wěn)定、無抖動工作。
2. 使電源走線和負載連接盡量短，采用厚銅PCB可提高滿載效率。
3. 通過連接CS和OUT，將電流檢測誤差降至最小，直接在電流檢測電阻上使用開爾文檢測。
4. 使高速開關節(jié)點（BST、LX、DH和DL）遠離敏感的模擬區(qū)域（FB_、CS和OUT）。

七、結論

MAX16930/MAX16931以其卓越的性能和豐富的功能，為汽車電子和分布式電源系統(tǒng)等領域的電源設計提供了理想的解決方案。在實際應用中，工程師們需要根據具體的設計要求，合理選擇芯片的工作模式和外部元件參數，并嚴格遵循PCB布局建議，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。大家在使用這款芯片的過程中，有沒有遇到過一些獨特的問題或者有什么創(chuàng)新性的應用呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。