深入解析MAX26239/MAX26240：4.5V - 36V、6A 降压 - 升压转换器

在电子设计领域，电源管理芯片的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天，我们就来深入探讨一下 Analog Devices 推出的 MAX26239/MAX26240 降压 - 升压转换器，看看它有哪些独特的性能和应用场景。

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一、产品概述

MAX26239/MAX26240 是一款小型、同步的降压 - 升压转换器，集成了 H 桥开关。它具有以下显著特点：

• 宽输入电压范围：支持 4.5V 至 36V 的输入电压，能适应各种复杂的电源环境。
• 灵活的输出电压：提供固定输出调节电压和 3V 至 20V 范围内的外部可调输出电压，输入电压可高于、低于或等于输出调节电压。
• 高电流能力：典型的 8.2A 和 10A 输入电流限制选项，根据输入 - 输出电压比和工作频率，可支持高达 6A 的连续负载电流。
• 双开关频率选项：提供 2.1MHz 和 400kHz 两种开关频率。2.1MHz 高开关频率允许使用小型外部组件，减少输出纹波，并保证无 AM 频段干扰；400kHz 开关频率则提供更好的效率，减轻功耗担忧。
• 多种工作模式：SYNC 输入支持三种操作模式，包括超低静态电流的跳过模式、强制固定频率 PWM 操作以及与外部时钟同步。
• 低 EMI 干扰：集成了扩频频率调制功能，可最大程度减少 EMI 干扰。
• 完善的保护功能：具备电源正常（POK）指示灯、欠压锁定、过压保护、逐周期电流限制和热关断等功能，提高了系统的可靠性。

二、应用领域

MAX26239/MAX26240 适用于多种应用场景，包括：

• 负载点电源：为各种电子设备提供稳定的电源。
• 12V/24V 工业应用：如电信、服务器和网络设备等，满足工业环境对电源的高要求。

三、电气特性

输入电源

• SUP 电压范围：初始启动时为 4.5V 至 36V。
• 关断电源电流：在 VEN = 0V、TA = +25°C 时，典型值为 5 - 10μA。
• 待机电源电流：在 VEN = VSUP、VOUT = 0V、VSYNC = 5V 且无负载时，典型值为 95μA。

VCC 调节器

• VCC 输出电压：当 VSUP > 3.5V 且 IVCC = 1mA 至 50mA 时，输出为 1.8V。
• VCC 欠压锁定：VCC 下降时，欠压锁定阈值为 1.6V，迟滞为 100mV。

降压 - 升压转换器

• 固定输出电压：有 5V 和 11.5V 等固定输出电压选项，精度为 ±2%。
• 软启动时间：2.5ms，可限制启动浪涌电流。
• 自动重试时间：输出短路条件检测后为 5ms。
• 最小导通时间：在降压模式下，2.1MHz 开关频率时为 100ns，400kHz 开关频率时为 125ns。
• 死区时间：典型值为 3ns。
• LX1、LX2 上升和下降时间：分别为 1.5ns 和 3ns。

功率 MOSFET

• DMOS 导通电阻：VCC = 1.8V、IDSON = 0.2A 时，典型值为 20 - 35mΩ。
• LX1、LX2 泄漏电流：在 VEN = 0V、VSUP = 36V（LX1）或 VLX2 = 12V（LX2）、TA = +25°C 时，典型值为 5μA。

电流检测

• 电流限制：有 8.2A 和 10A 两种选项，典型值分别为 8 - 12A。

误差放大器

• 调节反馈电压：典型值为 0.8V，精度为 ±1.75%。
• 反馈泄漏电流：VFB = 0.8V、TA = +25°C 时，典型值为 0.02 - 1μA。
• 电流跨导：VFB = 0.8V、VCC = 1.8V 时，典型值为 85 - 115μS。

开关频率

• PWM 开关频率：400kHz 选项时为 350 - 450kHz，2.1MHz 选项时为 1.9 - 2.3MHz。
• SYNC 外部时钟输入：400kHz 选项时，最小同步脉冲为 280 - 520kHz；2.1MHz 选项时为 1.5 - 2.7MHz。
• 扩频：±6%。

输出监测

• 输出过压阈值：相对于 VFB 上升检测时为 106 - 110%。
• 输出过压迟滞：3%。
• PGOOD 阈值：VOUT 上升时为 92 - 96%，下降时为 91 - 95%。
• PGOOD 输出低电压：ISINK = 1mA 时，典型值为 0.2V。
• PGOOD 泄漏电流：VPGOOD = 5.5V、TA = +25°C 时，典型值为 1μA。
• PGOOD 去抖时间：故障检测时，上升和下降均为 40μs。

逻辑输入

• 输入高电平：电压上升时为 1.3V。
• 输入低电平：电压下降时为 0.5V。
• 输入泄漏电流：EN、SPS 引脚在 TA = +25°C 时，典型值为 1μA；SYNC 引脚在 TA = +25°C、SYNC = 1.8V、EN = 高电平时，典型值为 20 - 50μA。

热关断

• 热关断阈值：典型值为 175°C。
• 热关断迟滞：典型值为 20°C。

四、典型工作特性

启动特性

在满负载启动时，不同输出电压和开关频率下，启动过程平稳，能够快速达到稳定输出。例如，在 11.5V 输出、400kHz 开关频率和 5V 输出、2.1MHz 开关频率的情况下，都能在较短时间内实现稳定输出。

静态电流与电源电压关系

静态电流随着电源电压的变化而变化，在轻负载时，静态电流较低，满足低功耗要求。例如，在待机模式下，静态电流仅为 95μA。

效率与输出电流关系

效率与输出电流密切相关，在不同的输出电流和输入电压条件下，效率表现良好。一般来说，在中等负载时效率较高，能够满足大多数应用的需求。例如，在 12V 输出、2.1MHz 开关频率和 11.5V 输出、400kHz 开关频率的情况下，效率都能达到较高水平。

五、引脚配置与功能

引脚配置

MAX26239/MAX26240 采用 22 引脚 FC2QFN 封装，引脚排列紧凑，方便 PCB 布局。

引脚功能

• BST1、BST2：分别为开关节点 LX1 和 LX2 的自举电容连接引脚，需连接 0.1μF 陶瓷电容。
• SUP：降压 - 升压转换器和内部 VCC LDO 调节器的电源输入引脚，需用 4.7μF 或更大的陶瓷电容旁路到 PGND1。
• PGND1、PGND2：分别为降压低侧 FET LS1 和升压低侧 FET LS2 的电源接地引脚，需连接在一起到电源地。
• LX1、LX2：降压 - 升压转换器的开关节点，分别连接到功率电感的两侧。
• OUT：降压 - 升压转换器的输出引脚。
• EN：高压耐受使能输入引脚，高电平使能降压 - 升压转换器。
• FB：反馈输入引脚，用于设置输出电压。连接到 OUT 和 AGND 之间的电阻分压器可实现 3V 至 20V 的外部可调输出电压；连接到 VCC 可选择固定输出电压。
• COMP：误差放大器输出引脚，需连接 RC 补偿网络到 AGND 以稳定控制环路。
• SPS：扩频（SPS）功能使能输入引脚，高电平使能 SPS 功能，低电平禁用。
• SYNC：外部时钟同步和跳过/PWM 模式控制输入引脚，连接到 AGND 启用跳过模式，连接到 VCC 启用 PWM 模式，连接到有效外部时钟可将降压 - 升压转换器的开关频率同步到外部时钟。
• PGOOD：开漏、电源正常指示引脚，需用外部电阻上拉到 VCC 或低于 5.5V 的正电压，用于指示 OUT 电压状态。
• VCC：内部 1.8V 调节器输出引脚，需用最小 4.7μF 陶瓷电容旁路到地。
• AGND：模拟接地引脚，需与 PGND1、PGND2 在单点以星形接地方式连接。

六、详细工作原理

H 桥操作

MAX26239/MAX26240 的 H 桥配置由四个开关（HS1、LS1、HS2、LS2）组成，根据输入和输出电压的比例，有三种工作模式：

• 降压模式：当输入电压远高于输出电压时，HS2 始终导通，LS2 始终关断，HS1 和 LS1 以开关频率切换，采用峰值电流模式控制方案确定开关的导通脉冲宽度，类似于同步降压转换器。
• 升压模式：当输入电压远低于输出电压时，HS1 始终导通，LS1 始终关断，HS2 和 LS2 以开关频率切换，同样采用峰值电流模式控制方案，类似于同步升压转换器。
• 降压 - 升压模式：当输入电压接近输出电压时，四个开关根据需要以开关频率导通/关断，以保持高效率和稳定的输出电压。

线性调节器输出（VCC）

器件内部包含一个 1.8V 线性调节器（VCC），为内部电路块提供电源。启动时，偏置调节器从输入获取电源，启动完成后切换到输出。对于输出电压小于 1.8V 的情况，偏置调节器始终由输入供电。

软启动

MAX26239/MAX26240 具有 2.5ms 的软启动时间，通过强制输出电压向调节点斜坡上升来限制启动浪涌电流。

电流限制/打嗝模式

器件具备电流限制功能，可保护器件免受输出短路和过载条件的影响。在短路或过载情况下，高侧 MOSFET 保持导通，直到电感电流达到电流限制阈值，然后转换器导通低侧 MOSFET 使电感电流下降。当电感电流低于低侧 MOSFET 电流限制阈值时，转换器再次导通高侧 MOSFET。如果输出电压低于目标的 50% 且达到电流限制，将启用打嗝模式，输出关闭 5ms，然后通过软启动再次尝试上电。

电源正常输出（PGOOD）

PGOOD 是一个开漏、电源正常指示引脚，当输出电压下降到低于 93%（典型值）的下降阈值时，PGOOD 拉低；当输出电压上升到高于 94%（典型值）的上升阈值时，PGOOD 释放。需用外部电阻将 PGOOD 连接到输出或外部 I/O 电压。

同步输入（SYNC）

SYNC 引脚是一个逻辑电平输入，用于操作模式选择和频率控制。连接到 VCC 或外部时钟可启用强制固定频率（FPWM）操作；连接到 GND 可启用自动跳过模式，提高轻负载效率。外部时钟频率可在内部时钟的 ±20% 范围内，器件在两个周期内与外部时钟同步。当 SYNC 引脚的外部时钟信号缺失超过两个时钟周期时，器件使用内部时钟。

系统使能（EN）

EN 是一个使能控制输入引脚，用于从低功耗关断模式激活器件。EN 与 1.8V 至 VIN 的输入兼容，高电平开启内部线性（VCC）调节器。当 VCC 高于内部锁定阈值（典型值为 1.7V）时，转换器激活，输出电压以编程的软启动时间斜坡上升。逻辑低电平使器件关断，关断时 VCC 调节器和栅极驱动器关闭，关断电流典型值为 5μA。

扩频选项（SPS）

当 SPS 引脚拉高时，工作频率以开关频率为中心 ±6% 变化。如果器件与外部时钟同步，则内部扩频功能禁用，但器件不会过滤 SYNC 引脚上的外部时钟，会传递外部时钟的任何调制（包括扩频）。

热关断保护

热关断保护可防止器件因过热而损坏。当结温超过 +175°C 时，传感器关闭转换器，使 IC 冷却。结温下降 20°C 后，传感器再次开启 IC。热关断仅禁用功率开关，VCC 调节器和 IC 逻辑在热关断期间保持活跃。

七、应用设计要点

电感选择

电感的设计需要在转换器的尺寸、效率、控制、带宽和稳定性之间进行权衡。对于降压 - 升压应用，由于升压和降压 - 升压模式中存在右半平面（RHP）零点，选择合适的电感值尤为关键。一般来说，电感的峰值 - 峰值电流纹波为最大电感电流的 40% 是速度和效率之间的良好折衷。可根据以下公式计算电感值： [L{B U C K}=frac{left(V{I N{-} M A X}-V{O U T}right) × V{O U T}}{f{S W} × Delta I{L{P-P}} × V{I N{-} M A X}}] [L{B O O S T}=frac{left(V{OUTMAX }-V{I N}right) × V{I N}}{f{S W} × Delta I{L{P-P}} × V_{OUTMAX }}] 选择 LBUCK 和 LBOOST 中的较大值作为最终电感值 L，然后根据以下公式计算实际峰值电感电流： [I{L{P E A K}}=frac{V{OUT } × I{OUT }}{V{INMIN } × eta}+frac{V{INMIN } timesleft(1-frac{V{INMIN }}{V{OUT }}right)}{L × f_{SW} × 2}] 选择饱和电流比峰值电感电流大 ≈20% 且直流电阻（DCR）低的电感。

最大输出电流

MAX26239/MAX26240 通过检测电感峰值电流来限制输出电流。最大输出电流取决于影响电感峰值电流的工作条件和组件选择。在重负载和高输出电压下，热限制会影响输出电流能力。可使用 θJA 估计特定工作条件下的结温，以确定器件是否会触发热关断。

输入电容

输入电容可减少从电源汲取的峰值电流，降低电路开关引起的输入噪声和电压纹波。在降压模式下，输入电容会承受高不连续输入电流，输入电容的等效串联电阻（ESR）和电容值会导致峰 - 峰电压纹波，可根据以下公式计算： [Delta V{I N}=left(1-frac{V{OUT }}{V{I N}}right) × I{OUT } × E S R+frac{left(1-frac{V{OUT }}{V{I N}}right) × I{OUT } × V{OUT }}{f{S W} × V{I N} × C{I N}}] 根据给定的最大输入电压纹波，可计算输入电容值： [C{I N}=frac{left(1-frac{V{OUT }}{V{I N}}right) × I{OUT } × V{OUT }}{left(V{I N} × triangle V{I N}-left(V{I N}-V{OUT }right) × I{OUT } × E S Rright) × f{S W}}] 输入电容应能承受输入电容的 RMS 电流，可根据以下公式计算： [I{C I N{R M S}}=frac{I{OUT } × sqrt{V{OUT } timesleft(V{I N}-V{OUT }right)}}{V{I N}}] 最大输入 RMS 电流发生在 (V{IN }=2 × VOUT) 时，为 (I{C I N{R M S