汽车级降压 - 升压转换器MAX20039/MAX20040的全面解析

在汽车电子领域，电源管理是一个至关重要的环节。今天，我们就来深入探讨Analog Devices推出的两款优秀的降压 - 升压转换器：MAX20039和MAX20040。

文件下载：MAX20039.pdf

一、产品概述

MAX20039/MAX20040是一系列小型、同步降压 - 升压转换器，集成了高端和低端开关。其中，MAX20040能够在2V至36V的输入电压范围内提供高达1.2A的输出电流，且在无负载时仅消耗52μA的静态电流。这两款转换器提供±2%的精确输出电压，通过观察PGOOD信号可以监控电压质量。

它们具有固定的5V输出电压，同时也支持4.0V至15V的可编程输出范围。开关频率可在220kHz至2.2MHz之间调节，这使得外部组件可以更小，输出纹波降低，并且能保证无AM干扰。此外，MAX20040B和MAX20040D版本还提供低静态电流（52μA）的跳过模式。这两款转换器采用了小型的4mm x 4mm、20引脚、可侧焊TQFN封装，并且使用的外部组件非常少。

二、应用场景

这两款转换器适用于多种汽车应用场景，包括：

1. 信息娱乐系统：为汽车的多媒体设备提供稳定的电源。
2. 车身电子：如车灯、门锁等系统的电源供应。
3. 启停系统：在发动机启停过程中，确保电源的稳定输出。
4. 负载点（PoL）电源：为特定的负载提供精确的电源。
5. 同轴供电（PoC）：满足相关设备的供电需求。

三、产品优势与特性

1. 满足严格的汽车质量和可靠性要求

• 宽输入电压范围：2V至36V的工作电压允许在冷启动条件下正常工作，并且能够承受高达40V的输入瞬态电压。
• 高兼容性：EN引脚兼容3.3V至40V的电压。
• 大输出电流：MAX20039最大输出电流为0.6A，MAX20040最大输出电流为1.2A。
• 宽温度范围：工作温度范围为 - 40°C至 + 125°C，符合AEC - Q100标准。
• 集成FET H桥架构：提高了效率，降低了物料清单（BOM）成本和电路板空间。
• 固定输出电压：提供稳定的输出电压。
• 20引脚SWTQFN封装：体积小巧，便于安装。

2. 低静态电流

B和D版本在待机模式下静态电流为52μA，关机模式下最大静态电流为10μA，有助于设计师满足严格的OEM电流要求。

3. 高开关频率

• 宽频率范围：200kHz至2.2MHz的工作频率允许使用小型外部组件。
• 跳过模式：B和D版本支持跳过模式，实现高效的低功耗运行。
• 固定频率PWM模式：保证输出的稳定性。
• 外部频率同步：可与外部时钟同步，减少EMI辐射。
• 可启用或禁用扩频：进一步降低开关频率下的EMI辐射。

四、电气特性

1. 绝对最大额定值

各项引脚的电压范围都有明确的规定，例如IN引脚的电压范围为 - 0.3V至 + 40V，EN、LX1引脚的电压范围为 - 0.3V至VIN + 0.3V等。同时，还给出了连续功率耗散、工作温度范围、结温、存储温度范围、焊接温度等参数。

2. 推荐工作条件

环境温度范围为 - 40°C至 + 125°C。

3. 电气参数

包括输入电压范围、关机电源电流、待机电源电流、欠压锁定、输出电压压降、短路电流限制、固定输出电压、输出电压可调范围、软启动斜坡时间、自动重试时间、最小导通时间、最小关断时间、死区时间、开关导通电阻、漏电流、电流感测、误差放大器、开关频率、输出监控、PGOOD阈值、逻辑输入、热关断等参数。

五、典型工作特性

文档中给出了多个典型工作特性图，包括待机静态电流与电源电压的关系、关机电流与输入电压的关系、最大负载电流与输入电压的关系、线路调节、负载调节、效率与负载电流的关系、效率与输入电压的关系、扩频分析、负载阶跃响应等。这些特性图可以帮助工程师更好地了解转换器在不同条件下的性能。

六、引脚配置与功能

1. 引脚配置

MAX20039/MAX20040采用20引脚SWTQFN封装，每个引脚都有特定的功能。例如，PGND2是升压低端集成FET的接地参考；LX1是IN到PGND的开关节点；BST1是LX1节点高端驱动器的自举电容引脚等。

2. 引脚功能

• 线性调节器输出（VCC）：为内部电路块提供4.6V的电源，需要连接一个2.2μF的陶瓷电容到AGND。
• 宽输入电压范围：IN引脚的输入电压范围为3.5V至36V，启动条件满足后可在2V至36V范围内工作。
• 同步输入（FSYNC）：用于操作模式选择和频率控制，连接到BIAS或外部时钟可实现固定频率、强制PWM操作，连接到AGND可启用跳过模式。
• 电源良好输出（PGOOD）：当VOUT高于其调节电压的96%时，PGOOD置位；当VOUT低于其调节电压的93%时，PGOOD复位。
• 扩频选项：通过SPS引脚启用扩频，工作频率会在fOSC中心上下变化±3%。
• 内部振荡器（FSW）：通过连接到AGND的电阻（RFSW）设置开关频率。
• 过温保护：当结温超过 + 166°C（典型值）时，内部热传感器会关闭内部偏置调节器和降压转换器，结温下降18°C后重新开启。
• 轻载操作：在轻载时，当FSYNC连接到AGND且转换器处于降压区域时，设备会跳过周期以保持高效率，进入PFM模式。
• 软启动：固定频率辅助振荡器确定软启动时间，所有输出电压和频率的软启动时间典型值为7ms。
• 过压保护：采用逐周期过压保护，当输出电压高于调节值的108%（典型值）时，降压高端开关和升压低端开关关闭，直到输出电压低于调节值的105%（典型值）。
• 短路保护：持续监控DH1电流，若输入电流连续16次达到峰值电流限制且输出电压低于调节值的60%，设备停止开关并进入打嗝模式，自动重试时间典型值为26ms。

七、应用信息

1. 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，选择合适的电感值尤为关键，因为在升压和降压 - 升压模式中存在右半平面（RHP）零点。一般来说，电感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。

2. 输入电容设计

输入电容用于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，输入电容应能处理输入RMS电流。

3. 输出电容设计

计算“深度”升压模式下的最坏情况最小输出电容，输出滤波电容的等效串联电阻（ESR）要足够低，以满足输出纹波和负载瞬态要求。

4. 输出电压设置

将FB连接到VCC可启用预设的5V固定输出电压；要在4V至15V之间外部调节输出电压，需要连接一个电阻分压器。

5. 误差放大器补偿设计

MAX20040使用内部跨导放大器，通过外部频率补偿来优化性能。设计外部补偿需要一些迭代，以达到优化设计。

八、PCB布局指南

1. 散热设计：在器件封装下方使用大面积连续铜平面，确保所有散热组件有足够的散热空间，将器件底部焊盘焊接到铜平面以实现有效散热。
2. 信号隔离：将功率组件和高电流路径与敏感的模拟电路隔离，防止噪声耦合到模拟信号中。
3. 缩短高电流路径：特别是在接地端子处，保持高电流路径短，以实现稳定、无抖动的操作。
4. 缩短功率走线和负载连接：使用厚铜PCB提高满载效率。
5. 避免干扰：将模拟信号线远离高频平面，确保反馈到器件的敏感信号的完整性。
6. 接地设计：模拟和功率部分的接地连接应靠近器件，保持接地电流回路最小。

九、订购信息

文档提供了详细的订购信息，包括不同型号的引脚封装、输出电压可调范围、开关频率、输入电压范围、默认输出电压、输出电流、电流限制、工作模式等。

十、总结

MAX20039/MAX20040是两款性能卓越的汽车级降压 - 升压转换器，具有宽输入电压范围、低静态电流、高开关频率、多种保护功能等优点。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求选择合适的型号，并按照PCB布局指南进行设计，以确保转换器的性能和稳定性。同时，对于电感、电容等外部组件的选择和设计也至关重要，需要仔细计算和优化。大家在使用过程中有没有遇到过什么问题呢？欢迎在评论区分享交流。