MAX1640/MAX1641：可调输出开关模式电流源的深度解析

在电子设计领域，电池充电器的设计至关重要，尤其是对于那些需要精准充电控制的设备。Maxim Integrated推出的MAX1640/MAX1641可调输出开关模式电流源，就是一款适用于微处理器控制电池充电器的优秀芯片。接下来，我们就对这款芯片进行详细的剖析。

文件下载：MAX1640.pdf

一、产品概述

MAX1640/MAX1641是CMOS工艺的可调输出开关模式电流源，能在+5.5V至+26V的输入电压下工作。这两款芯片的充电电流、最大输出电压和脉冲涓流充电都可以通过外部电阻来编程设置，通过对关断时间的编程还能修改开关频率，从而有效抑制对噪声敏感电路中的有害谐波。

它们采用降压脉冲宽度调制（PWM）控制器，搭配外部P通道MOSFET开关和可选的外部N通道MOSFET同步整流器，以提高效率。内部的低压差线性稳压器为内部参考和电路以及N通道同步整流器的栅极驱动器提供电源。芯片采用了节省空间的16引脚窄QSOP封装。

二、关键特性

• 效率高：高达95%的效率，能有效减少能量损耗。
• 宽输入输出范围：输入电源范围为+5.5V至+26V，输出电压可在2V至24V之间调节。
• 最大占空比大：具备100%的最大占空比，可实现低压差工作。
• PWM操作频率高：最高可达500kHz的PWM操作频率。
• 同步整流可选：用户可根据需求选择是否使用同步整流功能。
• 封装小巧：采用16引脚QSOP封装，节省电路板空间。
• 电流检测精度高：MAX1641的电流检测精度为2%，MAX1640为5.3%。

三、电气特性

输入输出电压

输入电压范围为5.5V至26V，线性稳压器输出电压根据不同参考有不同范围，如以输入电压为参考的VLDOH在VIN - 5.5V至VIN - 4.5V之间；以地为参考的VLDOL在4.5V至5.5V之间。

电流检测阈值

MAX1640和MAX1641的满量程电流检测阈值和四分之一量程电流检测阈值有所不同，例如MAX1640满量程为142 - 158mV，MAX1641为147 - 153mV。

其他参数

还包括静态输入电源电流、关断模式输出电流、VLDOL欠压锁定电压、参考电压等参数，这些参数在不同的工作条件下都有明确的范围。

四、引脚说明

引脚	名称	功能
1	LDOL	内部接地参考的低压差线性稳压器输出，需用0.1µF和4.7µF电容并联到地进行旁路。
2	TOFF	关断时间选择输入，通过连接到地的电阻（RTOFF）来编程设置关断时间。
3, 4	D1, D0	数字输入，用于选择操作模式。
5	CC	恒流环路补偿输入，需用0.01µF电容到地进行旁路。
6	REF	参考电压输出（VREF = 2V），需用0.1µF电容到地进行旁路。
7	SET	电流选择输入，通过在SET施加0V到VREF之间的电压来编程设置所需电流水平。
8	TERM	最大输出电压终止输入，当VTERM超过参考电压时，比较器会重置内部PWM锁存器，关闭外部P通道FET。
9	GND	接地
10	CS -	负电流检测比较器输入
11	CS +	正电流检测比较器输入
12	PGND	输出驱动器的高电流接地返回
13	NDRV	可选N通道FET同步整流器的栅极驱动器
14	PDRV	P通道FET的栅极驱动器
15	LDOH	内部输入参考的低压差线性稳压器输出，需用0.33µF电容到IN进行旁路。
16	IN	电源输入，内部低压差线性稳压器的输入

五、工作模式与编程

充电模式

通过感测电阻RSENSE设置两个充电电流水平，通过控制D0和D1的高低电平来选择不同的充电模式，如快速充电、顶部充电和脉冲涓流充电等。例如，快速充电电流为VREF / (13.3RSENSE) ，顶部充电电流为VSET / (13.3RSENSE) 。

脉冲涓流模式

将D0拉低、D1拉高可选择脉冲涓流模式，此模式下电流为VSET / (13.3RSENSE) ，且在RTOFF设置的周期内导通12.5%的时间，有助于保持电池满充状态并在快速充电前缓慢充电冷电池。

关断模式

将D0和D1拉低可关闭P通道FET，从而停止输出电流，此模式还可用于控制充电结束和保护电池免受过温影响。

设置最大输出电压

通过外部电阻分压器设置TERM引脚的电压，当TERM电压超过参考电压时，内部比较器会关闭P通道FET，终止电流流动。计算公式为R3 = R4 ((VOUT / VTERM) - 1) 。

编程关断时间

编程关断时间时需要考虑最大电感电流纹波、最大输出电压、电感值和电感电流额定值等因素。具体步骤包括选择最大输出电流纹波、最大输出电压，计算电感值范围，选择合适的电感值，计算关断时间tOFF，通过RTOFF编程tOFF，最后计算开关频率fs。

六、同步整流与元件选择

同步整流

同步整流通过用低电阻MOSFET开关分流肖特基二极管来降低整流器的传导损耗，在重载下可提高约3%至5%的效率。为防止交叉导通，同步整流器在P通道功率MOSFET关闭后不久开启，且在关断时间的90%内保持关闭。在低成本设计中，同步整流器FET可以用肖特基二极管代替。

元件选择

• 外部开关晶体管：MAX1640/MAX1641驱动增强模式P通道MOSFET和同步整流N通道MOSFET，选择P通道FET时需考虑导通电阻、最大漏源电压、最大栅源电压和最小阈值电压等参数。
• 整流二极管：若不使用N通道MOSFET同步整流器，则需要一个肖特基整流器。选择时要确保其平均电流额定值超过峰值电流限制，击穿电压超过输出电压。在高温应用中，可考虑使用高速硅二极管。
• 电感值：电感值的选择需要在电感值、关断时间、输出电流纹波和开关频率之间进行权衡，具体可参考编程关断时间部分的内容。

七、应用与布局

应用信息

在有微控制器的应用中，MAX1640/MAX1641可作为低成本电池充电器使用。微控制器可以通过监测输出电压来控制不同的充电模式，如快速充电、顶部充电、涓流充电和关断模式。

布局和接地

由于芯片具有高电流水平和快速开关波形，因此正确的PCB布局至关重要。高电流接地路径应采用星形配置连接到PGND，走线要宽以降低电阻，并且要尽可能短以减少杂散电感。所有低电流接地路径应连接到GND，输入旁路电容应尽可能靠近IN引脚。

八、总结

MAX1640/MAX1641可调输出开关模式电流源凭借其丰富的功能和优秀的性能，为电子工程师在电池充电器设计方面提供了一个可靠的选择。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求和电路要求，合理选择工作模式、编程参数和元件，同时注意PCB布局和接地，以确保芯片能够发挥出最佳性能。大家在使用这款芯片的过程中，有没有遇到过什么有趣的问题或者有独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。