探索 MAXM17537：高效 DC - DC 降压 SiP 电源模块的设计秘籍

在电子设备的电源设计领域，高效、紧凑且可靠的电源模块一直是工程师们追求的目标。今天，我们要深入探讨的是 Maxim Integrated 推出的 MAXM17537，一款 4.5V 至 60V、3A 高效 DC - DC 降压 SiP 电源模块，它集成了电感器，为电源设计带来了诸多便利和优势。

文件下载：MAXM17537.pdf

一、产品概述

MAXM17537 属于 Himalaya 系列电压调节器 IC 和电源模块，该系列旨在实现更凉爽、更小且更简单的电源解决方案。这款模块将开关电源控制器、双 n 沟道 MOSFET 功率开关、全屏蔽电感器以及补偿组件集成在一个低剖面、热效率高的系统级封装（SiP）中。它能在 4.5V 至 60V 的宽输入电压范围内工作，在 8V 至 24V 的输出电压范围内提供高达 3A 的连续输出电流，并且具有出色的线路和负载调节能力。高度集成显著降低了设计复杂度和制造风险，提供了真正的即插即用电源解决方案，缩短了产品上市时间。

二、产品特性与优势

（一）降低设计复杂度、制造风险和上市时间

• 集成度高：集成了同步降压 DC - DC 转换器、电感器、FET 和补偿组件，减少了外部元件数量，简化了设计流程。
• 节省空间：采用 9mm x 15mm x 4.32mm 的小尺寸 SiP 封装，在空间受限的应用中节省了电路板空间，同时简化了 PCB 设计。

（二）电源设计优化的灵活性

• 宽输入电压范围：4.5V 至 60V 的输入电压范围，适用于多种电源场景。
• 可调输出电压：输出电压可在 8V 至 24V 范围内调节，满足不同负载的需求。
• 可调频率：通过外部频率同步，开关频率可在 100kHz 至 2.2MHz 之间调节，还支持 PWM、PFM 或 DCM 电流模式控制，以及可编程软启动功能。此外，辅助自举 LDO 提高了效率，还有可选的可编程 EN/UVLO 功能。

（三）恶劣工业环境下的可靠运行

• 热保护：集成了热保护功能，当结温超过 165°C（典型值）时，芯片会自动关闭，待温度下降 10°C 后重新开启，软启动在热关断时会重置。
• 过载保护：具备打嗝模式过载保护，当出现过载或输出短路情况时，模块会进入打嗝模式，暂停开关操作 32,768 个开关周期，之后再次尝试软启动，确保在输出过载或短路条件下的低功耗。
• RESET 输出电压监控：通过 RESET 引脚监控输出电压，当输出电压低于 92.5% 的标称调节电压时，RESET 输出低电平；当输出电压高于 95.5% 的标称调节电压时，RESET 输出高电平。

三、电气特性

（一）输入电源

• 输入电压范围：4.5V 至 60V。
• 输入关断电流：在关断模式下，典型值为 11μA，最大值为 16μA。
• 输入静态电流：在不同模式下有不同的值，如 PFM 模式下典型值为 128μA，DCM 模式下典型值为 2mA，PWM 模式下无负载且输出电压为 5V 时典型值为 14.5mA。

（二）使能/欠压锁定（EN/UVLO）

• 阈值：EN/UVLO 上升阈值典型值为 1.215V，下降阈值典型值为 1.09V。
• 上拉电阻：IN 和 EN/UVLO 引脚之间的上拉电阻典型值为 3.32MΩ。

（三）低压差（LDO）

• Vcc 输出电压范围：在 6V < VIN < 60 且 IVcc = 1mA 时，典型值为 5V，范围为 4.75V 至 5.25V；在 1mA < IVcc < 45mA 时，同样如此。
• Vcc 电流限制：典型值为 90mA，范围为 50mA 至 150mA。
• IN 到 Vcc 的压差：在 VIN = 4.5V 且 IVcc = 45mA 时，最大值为 0.4V。

（四）软启动（SS）

充电电流在 Vss = 0.5V 时，典型值为 5μA，范围为 4.7μA 至 5.3μA。

（五）输出规格

• 线路调节精度：在 VIN = 15V 至 60V 且 VOUT = 12V 时，典型值为 0.1mV/V。
• 负载调节精度：在 VOUT = 12V 且负载电流从 0 到 3A 测试时，典型值为 6mV/A。
• FB 调节电压：根据 MODE/SYNC 引脚的不同状态有不同的值，如 MODE/SYNC = SGND 或 MODE = Vcc 时，典型值为 0.9V；MODE/SYNC = OPEN 时，典型值为 0.915V。

四、工作模式

（一）PWM 模式

在 PWM 模式下，电感电流允许为负，能在所有负载下提供恒定频率操作，适用于对开关频率变化敏感的应用。但在轻负载时，与 PFM 和 DCM 模式相比，效率较低。

（二）PFM 模式

PFM 模式禁用负电感电流，在轻负载时跳过脉冲以提高效率。当输出电压达到标称电压的 102.3% 时，高低侧 FET 关闭，进入休眠模式；当输出电压降至标称电压的 101.1% 时，设备退出休眠模式，重新开始工作。该模式在轻负载时效率高，但输出电压纹波比 PWM 或 DCM 模式高，且轻负载时开关频率不恒定。

（三）DCM 模式

DCM 模式在轻负载时不跳过脉冲，仅禁用负电感电流，能实现比 PFM 模式更低负载下的恒定频率操作，效率介于 PWM 和 PFM 模式之间。

五、设计要点

（一）设置开关频率

通过将电阻从 RT 引脚连接到 SGND 可将开关频率编程为 100kHz 至 2.2MHz，开关频率（fSW）与 RT 引脚连接的电阻（RRT）的关系为 (R{R T} cong frac{19 × 10^{3}}{f{S W}}-1.7) ，若 RT 引脚未连接，则设备以默认的 450kHz 开关频率运行。

（二）确定工作输入电压范围

根据输出电压、最大负载电流、最大开关频率和最小开关导通时间等参数计算最小和最大工作输入电压，具体公式如下： [V{I N(M I N)}=frac{V{OUT }+I{OUT(M A X)} × 0.091}{1-f{SW(M A X)} timesleft(230 × 10^{-9}right)}+left(I{OUT(MAX) } × 0.034right)] [V{I N(M A X)}=frac{V{OUT }}{f{S W(M A X)} × t{O N(M I N)}}] 当占空比 > 0.5 时： [V{IN(MIN) }=left(3.47 × V{OUT }right)-left(5.36 × 10^{-5} × f{SW}right)+0.936]

（三）外部频率同步

MAXM17537 的内部振荡器可通过 MODE/SYNC 引脚与外部时钟信号同步，外部同步时钟频率必须在 (1.1 x fsw) 和 (1.4 x fsw) 之间，当检测到 16 个外部时钟边缘后，内部振荡器频率将变为外部时钟频率，同步操作期间转换器工作在 PWM 模式。

（四）DL - 到 - OUT 短路检测

为防止 DL 引脚与 OUT 引脚短路损坏低侧 FET，该模块实现了 DL - 到 - OUT 短路检测功能。若在启动前检测到短路，启动序列将不会启动，输出电压也不会软启动。

（五）过流保护（OCP）/打嗝模式

模块具备强大的过流保护方案，当高侧开关电流超过 5.7A（典型值）时，高侧 MOSFET 关闭。若达到 6.7A（典型值）的失控电流限制，或软启动完成后 FB 节点低于其标称调节阈值的 64.5%，模块将进入打嗝模式，暂停开关操作 32,768 个开关周期，之后再次尝试软启动。

（六）RESET 输出

MAXM17537 包含一个比较器来监控输出电压，RESET 输出为开漏输出，需要外部上拉电阻。当调节器输出电压高于设计标称调节电压的 95.5% 时，RESET 输出高电平；当输出电压降至标称调节电压的 92.5% 以下时，RESET 输出低电平，热关断时 RESET 也输出低电平。

（七）预偏置输出

当模块启动到预偏置输出时，高低侧开关关闭，直到 PWM 比较器发出第一个 PWM 脉冲，开关才开始切换，输出电压随后平稳上升到目标值。

（八）热关断保护

热关断保护限制了模块的总功耗，当结温超过 165°C（典型值）时，片上热传感器关闭设备，温度下降 10°C 后重新开启，软启动在热关断时重置。

六、组件选择

（一）输入电容

输入滤波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。输入电容的 RMS 电流要求为 (I{RMS} = I{OUT(MAX) } × frac{sqrt{V{OUT } timesleft(V{IN }-V{OUT }right)}}{V{IN }}) ，建议选择在 RMS 输入电流下温度上升小于 10°C 的低 ESR 陶瓷电容，如 X7R 电容。

（二）输出电容

在工业应用中，X7R 陶瓷输出电容因其温度稳定性而被优先选择。输出电容的大小通常根据应用中最大输出电流的 50% 阶跃负载来确定，以确保输出电压偏差控制在输出电压变化的 3% 以内，最小所需输出电容可通过以下公式计算： [t{RESPONSE } congleft(frac{0.33}{f{C}}+frac{1}{f{SW}}right)] [C{OUT }=frac{1}{2} × frac{I{STEP } × t{RESPONSE }}{Delta V_{OUT }}]

（三）软启动电容

通过将电容从 SS 引脚连接到 SGND 可编程软启动时间，最小所需软启动电容与所选输出电容（CSEL）和输出电压（VOUT）的关系为 (C{SS} geq 28 × 10^{-6} × C{SEL} × V{OUT }) ，软启动时间（tSS）与 SS 引脚连接的电容（CSS）的关系为 (t{s s}=frac{C_{s s}}{5.55}) 。

（四）设置输入欠压锁定电平

通过计算 (R{E N}=frac{3.32 × 1.215}{left(V{INU }-1.215right)}) 来设置 MAXM17537 开启的电压，确保 VINU 高于 0.8 x VOUT。

（五）调整输出电压

通过连接从输出电容正端（VOUT）到 SGND 的电阻分压器来设置输出电压，将分压器的中心节点连接到 FB 引脚。首先计算从输出到 FB 的电阻 (R{U}=frac{451 × 10^{3}}{f{C} × C{OUT}}) ，然后计算从 FB 到 SGND 的电阻 (R{B}=frac{R{U} × 0.9}{left(V{OUT }-0.9right)}) ，同时两个反馈电阻需满足 (6000{U} × R{B}}{R{U}+R{B}}<50,000) 。

七、PCB 布局指南

（一）减少电感和 EMI

所有承载脉冲电流的连接必须尽可能短且宽，以降低连接的电感，减小电流环路面积，从而减少辐射 EMI。

（二）输入电容放置

将陶瓷输入滤波电容靠近模块的 IN 引脚放置，以消除尽可能多的走线电感影响，为模块提供更干净的电压源。

（三）热性能优化

为了有效散热，在模块暴露焊盘下方提供多个热过孔，连接到大面积接地平面。

八、典型应用电路

文档中给出了 15V 和 24V 输出的典型应用电路示例，包括输入电容、输出电容、电阻等组件的具体参数，为工程师的实际设计提供了参考。

综上所述，MAXM17537 以其高集成度、宽输入电压范围、灵活的工作模式和丰富的保护功能，为电源设计提供了一个优秀的解决方案。在实际应用中，工程师们需要根据具体需求合理选择组件和工作模式，同时注意 PCB 布局，以充分发挥该模块的性能优势。你在使用 MAXM17537 或其他类似电源模块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。