MAX17112：高性能升压型DC - DC转换器的设计与应用

在电子设备的电源管理领域，高性能的DC - DC转换器至关重要。今天我们要深入探讨的是MAXIM公司的MAX17112，一款专为有源矩阵薄膜晶体管（TFT）液晶显示器（LCD）提供稳压电源的高性能升压型DC - DC转换器。

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一、产品概述

MAX17112采用电流模式、固定频率（1MHz）的脉冲宽度调制（PWM）电路，内置n沟道功率MOSFET，具备高效率和快速瞬态响应的特点。其输入过压保护（OVP）功能可防止高达24V的输入浪涌电压对芯片造成损坏。高开关频率允许使用超小型电感和低ESR陶瓷电容，电流模式架构则能对脉冲负载实现快速瞬态响应。补偿引脚（COMP）为用户调整环路动态提供了灵活性，内部MOSFET可在2.6V至5.5V的输入电压下产生高达20V的输出电压。此外，软启动功能可通过外部电容编程，缓慢提升输入电流。该芯片采用10引脚TDFN封装。

二、产品特性与应用

特性

1. 输入过压保护：有效抵御输入浪涌电压，保护芯片安全。
2. 可调输出电压：输出电压可在VIN至20V之间调节，满足不同应用需求。
3. 宽输入电源范围：2.6V至5.5V的输入电源范围，适用性广泛。
4. 输入电源欠压锁定：确保输入电压足够高时芯片才能可靠运行。
5. 固定开关频率：1MHz的固定开关频率，便于电路设计和优化。
6. 可编程软启动：通过外部电容实现软启动功能，减少浪涌电流。
7. 小封装尺寸：10引脚TDFN封装，节省电路板空间。
8. 热过载保护：防止芯片因过热而损坏。

应用

主要应用于笔记本电脑显示器和LCD监视器面板等领域。

三、电气特性

绝对最大额定值

包括输入电压、电流、功率耗散、温度等参数的极限值，超出这些范围可能会对芯片造成永久性损坏。例如，LX引脚到地的电压范围为 - 0.3V至 + 24V，连续功率耗散在TA = + 70°C时为951mW（高于 + 70°C时以24.4mW/°C的速率降额）等。

电气参数

在不同温度和输入条件下，芯片的各项电气参数有明确的规定。如输出电压范围、输出开关电阻、VL欠压锁定阈值、静态电流、误差放大器参数、振荡器频率和最大占空比等。这些参数为电路设计提供了重要的参考依据。

四、典型工作特性

通过一系列图表展示了芯片在不同输入电压、输出电压和负载电流下的效率、负载调节、开关频率、软启动、电源电流、负载瞬态响应和开关波形等特性。例如，在VIN = 3.3V、VOUT = 9V的条件下，效率随负载电流的变化曲线；在VOUT = 15V时，负载调节率与负载电流的关系等。这些特性曲线有助于工程师了解芯片在实际应用中的性能表现，从而进行合理的电路设计和优化。

五、引脚描述

详细介绍了各个引脚的功能和使用方法。例如，COMP引脚是误差放大器的补偿引脚，需连接一个串联的RC网络到地；FB引脚用于反馈电压；LX引脚是内部MOSFET的漏极；IN引脚是电源电压输入，需使用至少1μF的陶瓷电容直接旁路到地；SHDN引脚是关断控制输入，高电平使能芯片；SS引脚是软启动控制，可连接软启动电容等。

六、详细工作原理

整体架构

MAX17112采用电流模式、固定频率的PWM架构，实现快速瞬态响应和低噪声运行。误差放大器将FB引脚的信号与1.24V进行比较，调整COMP输出电压，从而确定内部MOSFET每次导通时的电流跳闸点。为了在高占空比下保持稳定性，会将斜率补偿信号与电流检测信号相加。在轻负载时，芯片可以跳过一些周期，防止输出电容过充。

输出电流能力

输出电流能力取决于电流限制、输入电压、工作频率和电感值。由于使用了斜率补偿来稳定反馈环路，电感电流限制与占空比有关。通过特定的公式可以计算出电流限制和输出电流能力。

软启动

通过外部电容可对软启动功能进行编程。当关断引脚SHDN置高时，软启动电容（CSS）立即充电至0.4V，然后以4μA的恒定电流充电。在软启动过程中，SS电压直接控制电感峰值电流周期，当VSS = 1.5V时，达到全电流限制，软启动完成后可提供最大负载电流。当SHDN置低时，SS引脚放电至地。

过压保护（OVP）

芯片集成了OVP电路，当IN引脚电压低于6.6V（典型值）时，IN和VL之间的内部开关导通；当IN引脚电压超过6.6V（典型值）时，开关断开，从而保护芯片免受过高输入电压的损坏。

欠压锁定（UVLO）

UVLO电路将VL引脚的电压与2.45V（典型值）进行比较，确保输入电压足够高以实现可靠运行。50mV（典型值）的迟滞可防止电源瞬变导致芯片重启。当VL电压超过UVLO上升阈值时，启动过程开始；当输入电压低于UVLO下降阈值时，主升压调节器关闭。

启动方式

可通过在SHDN引脚施加高电压来使能芯片，有两种方式实现：一是将SHDN引脚连接到外部电容，内部5μA电流源对电容充电，当电压超过1.24V时，芯片启动；二是直接向SHDN引脚施加逻辑高电平信号，但需在逻辑信号和SHDN引脚之间插入一个10kΩ的电阻进行保护。

七、外部元件选择

电感选择

选择电感时需要考虑最小电感值、峰值电流额定值和串联电阻等因素，这些因素会影响转换器的效率、最大输出负载能力、瞬态响应时间和输出电压纹波。同时，物理尺寸和成本也是重要的考虑因素。通过特定的公式可以计算出近似的电感值，并根据计算结果选择合适的电感。此外，还需要计算最大直流输入电流、纹波电流和峰值电流，确保电感的饱和电流额定值和MAX17112的LX电流限制（ILIM）超过峰值电流，电感的直流电流额定值超过最大直流输入电流。

输出电容选择

总输出电压纹波由电容纹波和欧姆纹波组成，电容纹波是由输出电容的充放电引起的，欧姆纹波是由电容的等效串联电阻（ESR）引起的。选择输出电容时需要考虑电压额定值和温度特性，对于陶瓷电容，输出电压纹波通常由电容纹波主导。

输入电容选择

输入电容（CIN）可减少从输入电源汲取的电流峰值，并减少对芯片的噪声注入。在实际应用中，由于升压调节器通常直接从另一个稳压电源的输出运行，实际的源阻抗通常较低，因此CIN的值可以适当减小。同时，需要确保IN引脚有低噪声电源供应，可通过使用足够的CIN或采用RC低通滤波器来实现。

整流二极管选择

由于MAX17112的高开关频率，需要使用高速整流二极管。肖特基二极管因其快速恢复时间和低正向电压而被推荐用于大多数应用。二极管的额定值应能够承受输出电压和峰值开关电流，确保其峰值电流额定值至少为电感选择部分计算出的IPEAK，并且其击穿电压超过输出电压。

输出电压选择

MAX17112的输出电压可在VIN至20V之间调节，通过连接一个电阻分压器从输出（VMAIN）到地，并将中心抽头连接到FB引脚来实现。选择R3的阻值在10kΩ至50kΩ之间，通过特定的公式计算R4的值。

环路补偿

选择RCOMP来设置高频积分器增益，以实现快速瞬态响应；选择CCOMP来设置积分器零点，以保持环路稳定性。对于低ESR输出电容，可使用特定的公式来获得稳定的性能和良好的瞬态响应。为了进一步优化瞬态响应，可以在观察瞬态响应波形的同时，以20%的步长调整RCOMP，以50%的步长调整CCOMP。

软启动电容

软启动电容应足够大，以确保在输出达到稳定之前不会达到最终值。通过特定的公式可以计算出CSS的值，负载需要等待软启动周期结束后才能开始汲取大量负载电流。软启动持续时间由CSS的值决定。

八、PCB布局和接地

PCB布局对于芯片的正常运行至关重要。以下是一些PCB布局的指导原则：

1. 最小化高电流环路面积：将电感、输出二极管和输出电容靠近输入电容以及LX和GND引脚放置，使用短而宽的连接，避免在高电流路径中使用过孔。如果无法避免使用过孔，应使用多个过孔并联以降低电阻和电感。
2. 创建接地岛：创建一个由输入和输出电容接地以及GND引脚组成的功率接地岛（PGND），使用短而宽的走线或小接地平面将它们连接在一起。同时，创建一个由反馈分压器接地连接、COMP和SS电容接地连接以及芯片暴露的背面焊盘组成的模拟接地平面（AGND），通过将GND引脚直接连接到暴露的背面焊盘来连接AGND和PGND岛，避免在这两个单独的接地平面之间进行其他连接。
3. 靠近反馈引脚放置电阻：将反馈电压分压器电阻尽可能靠近反馈引脚放置，保持分压器的中心走线短，避免反馈走线靠近LX或电荷泵中的开关节点。
4. 靠近芯片放置旁路电容：将IN和VL引脚的旁路电容尽可能靠近芯片放置，将它们的接地连接直接通过宽走线连接到AGND。
5. 优化输出电容与负载之间的走线：最小化输出电容与负载之间的走线长度，并最大化走线宽度，以获得最佳的瞬态响应。
6. 处理LX节点：最小化LX节点的尺寸，同时保持其宽而短，避免LX节点靠近反馈节点和模拟接地。如有必要，可使用直流走线作为屏蔽。

九、总结

MAX17112是一款性能出色的升压型DC - DC转换器，具有多种优秀特性和功能。在设计使用该芯片的电路时，需要综合考虑各个方面的因素，包括电气特性、外部元件选择、PCB布局和接地等。通过合理的设计和优化，可以充分发挥MAX17112的性能优势，为电子设备提供稳定可靠的电源供应。希望本文能为电子工程师在使用MAX17112进行电路设计时提供有价值的参考。你在使用类似芯片进行设计时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。