MAXM17710 - MAXM17726：高效集成电源模块的设计与应用

在电子设备的设计中，电源模块的选择至关重要，它直接影响着设备的性能、稳定性和尺寸。今天，我们就来深入探讨一下 Analog Devices 推出的 MAXM17710 - MAXM17726 集成电源模块，看看它在实际应用中能为我们带来哪些优势。

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一、产品概述

MAXM17710 - MAXM17726 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。这一系列的双输出调节器模块将一个高效的 150mA 同步降压 DC - DC 转换器和一个高电源抑制比（PSRR）、低噪声的 50mA 线性稳压器集成到 uSLIC™ 电源模块中。其输入电压范围宽达 4V 至 60V，降压转换器和线性稳压器分别可提供高达 150mA 和 50mA 的输出电流。

不同型号的模块提供了多样化的输出电压选项。其中，MAXM17710 - MAXM17714 模块的 DC - DC 转换器提供固定的 3.3V 输出；MAXM17715 - MAXM17720 模块提供固定的 5V 输出；而 MAXM17721 - MAXM17726 模块则提供可调节的输出电压。线性稳压器在不同模块中提供 1.2V 至 3.3V 的固定输出电压。

二、产品特性

（一）易于使用

1. 宽输入电压范围：4V 至 60V 的宽输入范围，使得该模块能适应多种不同的电源环境，无论是电池供电还是工业电源，都能轻松应对。
2. 可调与固定输出电压模块：提供了多种输出电压选项，满足不同应用场景的需求。对于需要固定电压的应用，可选择固定输出电压的模块；而对于需要灵活调整电压的应用，则可选择可调输出电压的模块。
3. 内部电感和补偿：集成了内部电感和补偿电路，无需外部补偿组件，大大简化了设计过程，降低了设计复杂度和制造成本。
4. 高输出电流能力：降压转换器可提供高达 150mA 的输出电流，线性稳压器可提供 50mA 的输出电流，能够满足大多数中小功率设备的供电需求。
5. 高精度输出：线性稳压器输出精度为 ±1.3%，降压转换器反馈精度为 ±2%，确保了输出电压的稳定性和准确性。
6. 全陶瓷电容，紧凑布局：采用全陶瓷电容，具有良好的高频特性和稳定性，同时紧凑的布局设计使得模块体积更小，适合对空间要求较高的应用。

（二）高效节能

1. 可选 PWM 或 PFM 模式：用户可以根据实际负载情况选择脉冲宽度调制（PWM）或脉冲频率调制（PFM）模式。PWM 模式适用于对频率敏感的应用，可提供固定的开关频率；PFM 模式则在轻载时跳过脉冲，提高了轻载效率，降低了功耗。
2. 低静态电流：关机电流仅为 2.5µA，无负载时的电源电流为 70μA，大大降低了系统的功耗，延长了电池续航时间。

（三）灵活设计

1. 内部软启动和预偏置启动：内部软启动功能可在启动时平滑增加输出电压，避免了浪涌电流对设备的冲击；同时，该模块还支持预偏置启动，可在输出电容已充电的情况下实现软启动，适用于多轨供电的数字集成电路应用。
2. 可调开关频率：降压转换器的开关频率可在 350kHz 至 2.2MHz 之间调节，并支持外部同步，用户可以根据实际需求选择合适的开关频率，优化系统性能。
3. 开漏电源良好输出（RESET 引脚）：RESET 引脚可用于监测降压转换器和线性稳压器的输出电压，当输出电压达到设定值的 95% 时，RESET 引脚变为高阻抗状态；当输出电压低于设定值时，RESET 引脚拉低，方便用户进行系统监控和故障诊断。
4. 可编程 EN/UVLO 阈值：用户可以通过外部电阻分压器设置 EN/UVLO 引脚的阈值，从而调整模块的启动和关闭电压，增强了系统的灵活性和可靠性。

（四）可靠运行

1. 过流保护：采用滞回峰值电流限制保护方案，当电感峰值电流超过 295mA（典型值）时，高侧开关关闭，低侧开关打开，以降低电感电流；如果电感电流连续 16 次达到峰值电流限制，则进入打嗝模式，暂停开关操作 51ms（典型值），直到短路故障排除。
2. 过温保护：当结温超过 160°C（典型值）时，片上热传感器将关闭设备，关闭内部功率 MOSFET 和线性稳压器，待结温下降 20°C 后，再以软启动方式重新开启模块，确保了模块在高温环境下的安全运行。
3. 宽工作温度范围：环境工作温度范围为 - 40°C 至 +125°C，结温范围为 - 40°C 至 +150°C，能够适应各种恶劣的工作环境。
4. 电磁兼容性：符合 CISPR22（EN55022）Class B 传导和辐射发射标准，通过了跌落、冲击和振动测试（JESD22 - B103、B104、B111），具有良好的电磁兼容性和可靠性。

三、引脚配置与功能

（一）引脚配置

该模块采用 10 引脚 uSLIC 封装，各引脚功能如下：

1. LX：开关节点，请勿在该引脚连接任何外部组件。
2. GND：接地引脚，应连接到电源接地平面，并将所有电路接地连接在一点。
3. MODE/SYNC：模式选择和外部时钟同步输入引脚。连接到 GND 引脚可启用固定频率 PWM 操作；不连接则为 PFM 操作。还可通过该引脚输入外部时钟信号，实现内部时钟与外部时钟的同步。
4. RESET：开漏电源良好输出引脚。当 FB 电压低于设定值的 92% 或 OUTL 电压低于设定值的 91.5% 时，该引脚拉低；当 FB 和 OUTL 电压高于设定值的 95% 后 2.1ms，该引脚变为高阻抗状态。
5. OUTB：降压 DC - DC 转换器输出引脚，应连接一个电容到 GND。该引脚也是线性稳压器的电源输入。
6. OUTL：线性稳压器输出引脚，应连接至少一个 2.2μF 的电容到 GND。
7. FB：降压转换器反馈输入引脚。对于固定输出电压的模块，直接连接到降压转换器的输出节点；对于可调输出电压的模块，连接到调节后的降压电压节点和 GND 之间的电阻分压器。
8. RT：可编程开关频率输入引脚。通过连接一个电阻到 GND 来编程开关频率，不连接时默认开关频率为 610kHz。
9. EN/UVLO：使能/欠压锁定输入引脚。驱动该引脚为高电平可启用输出电压；连接到 IN 到 GND 的电阻分压器中点可设置设备开启的输入电压；拉低到 GND 可禁用设备。
10. IN：降压转换器的电源输入引脚，应使用 X7R 1μF 陶瓷电容将该引脚解耦到 GND。

（二）功能详解

1. 模式选择和外部时钟同步：MODE/SYNC 引脚具有模式选择和外部时钟同步两种功能。接地时，模块在所有负载下以恒定频率 PWM 模式运行；不连接时，模块在轻载时以 PFM 模式运行。当检测到 MODE/SYNC 引脚的上升沿时，内部逻辑在 16 个时钟周期后将模式从 PWM 切换到 PFM；检测到下降沿时，从 PFM 切换到 PWM 是即时的。
2. 线性稳压器输入：降压转换器的输出连接到线性稳压器的输入，线性稳压器可在 2.35V 至 5V 的输入电压范围内工作，最大输出电流为 50mA。
3. 使能/欠压锁定输入和软启动：当 EN/UVLO 电压高于 1.215V（典型值）时，内部误差放大器参考电压开始上升，软启动斜坡持续时间为 5.1ms（典型值），使输出电压平滑增加。将 EN/UVLO 拉低可禁用功率 MOSFET 和线性稳压器以及其他内部电路，将 VIN 静态电流降低到 2.5μA（典型值）以下。
4. 复位输出：RESET 引脚用于监测降压转换器和线性稳压器的输出电压。当两个输出电压分别高于其标称设定值的 95%（典型值）后 2.1ms，RESET 引脚变为高阻抗状态；当降压转换器输出电压低于设定值的 92% 或线性稳压器输出电压低于设定值的 91.5% 时，RESET 引脚在 4μs 后拉低；当 EN/UVLO 电压低于其阈值时，RESET 引脚也会拉低。
5. 开关频率：通过连接一个电阻从 RT 到 GND，可将设备的开关频率编程为 350kHz 至 2.2MHz。不连接 RT 引脚时，默认开关频率为 610kHz。PFM 模式下的最大允许开关频率为 900kHz。

四、应用信息

（一）输入电压范围计算

对于给定的输出电压，需要计算最小和最大工作输入电压，计算公式如下： [V{I N(MIN)}=frac{V{OUTB }+left(I{OUT(MAX)} × 5.9right)}{1-t{OFFMIN(MAX)} × f{SW(MAX)}}+left(I{OUTB(MAX)} × 2.4right)] [V{IN(MAX)}=frac{V{OUTB }}{f{SW(MAX) } × t_{ONMIN(MAX)}}] [f{SW(MAX)}=f_{SWSET } × 1.11] [I{OUT(MAX) }=I{OUTB (MAX) }+I{LDOMAX }] 当占空比 > 0.5 时： [f{SW(MIN)}=f{SWSET } × 0.89] [V{IN(MIN) }>left(3.985 × V{OUTB }right)-left(23.05 × 10^{-6} × f{SW(MIN)}right)]

（二）电容选择

1. 输入电容：输入滤波电容可减少从电源汲取的峰值电流，降低开关转换器引起的输入噪声和电压纹波。输入电容的 RMS 电流要求计算公式为： [I{RMS }=I{OUT(MAX) } × frac{sqrt{V{OUTB } timesleft(V{IN }-V{OUTB }right)}}{V{IN }}] [I{OUT(MAX) }=I{OUTB (MAX) }+I{LDO( MAX )}] 当输入电压等于输出电压的两倍时，RMS 电流要求达到最大值： [I{RMS(MAX)}=frac{^{OUT(MAX) }}{2}] 应选择在 RMS 输入电流下温度上升小于 +10°C 的输入电容，推荐使用低 ESR、高纹波电流能力的陶瓷电容，如 X7R 电容。输入电容的计算公式为： [C{I N}=frac{OUT(MAX) × D times(1-D)}{eta × F{SW} × Delta V{IN}}] 其中，D 为控制器的占空比（VOUTB/VIN），fSW 为开关频率， (Delta V{IN}) 为允许的输入电压纹波，η 为降压转换器的效率。
2. 降压转换器输出电容：推荐使用小陶瓷 X7R 级电容，其可提供平滑的电压，存储足够的能量以支持负载瞬态条件下的输出电压，并稳定设备的内部控制环路。通常，输出电容的大小应能支持 75mA 的阶跃负载，使输出电压偏差小于 3%。最小所需输出电容的计算公式为： [C{OUTB }=frac{20}{V{OUTB }}] 在选择输出电容时，需要考虑陶瓷电容在直流偏置电压下的降额情况。
3. 线性稳压器输出电容：为确保稳定运行，应在 OUTL 引脚使用一个低 ESR 的 2.2μF X7R 陶瓷电容，并确保在最坏情况下的降额电容不低于 1μF。

（三）输入欠压锁定电平设置

通过连接一个电阻分压器从 IN 到 GND，并将分压器的中心节点连接到 EN/UVLO 引脚，可以设置设备开启的电压。选择 R1 最大为 3.3MΩ，然后根据以下公式计算 R2： [R 2=frac{R 1 × 1.215}{left(V_{INU }-1.215right)}] 其中，VINU 为设备需要开启的电压，应始终选择大于或等于 4V。

（四）输出电压设置

对于 MAXM17710 - MAXM17720 模块，将反馈（FB）直接连接到降压转换器的输出节点进行反馈控制。对于 MAXM17721 - MAXM17726 模块，可通过连接一个电阻分压器从输出节点到 FB 到 GND 来设置输出电压。选择 R4 小于或等于 49.9kΩ，然后根据以下公式计算 R3： [R 3=R 4 timesleft[frac{V_{OUTB }}{0.8}-1right]]

（五）功率损耗计算

模块内部的功率损耗会导致结温升高，满负载时模块内部的功率损耗可估算如下： [P{LOSS }=P{BUCK}+P{LDO}] [P{BUCK }=left(V{OUTB } timesleft(I{OUTB }+I{OUTL }right) timesleft(frac{1}{n}-1right)right)] [P{LDO}=left(V{OUTB }-V{OUTL }right) × I{OUTL }] 其中，VOUTB 为降压转换器输出电压，IOUTB 为降压转换器负载电流，n 为降压转换器的效率，VOUTL 为 LDO 输出电压，IOUTL 为 LDO 负载电流。 模块的结温（TJ）可根据以下公式在任何给定环境温度（TA）下估算： [T{J}=T{A}+left(theta{JA} × P_{LOSS}right)] 对于焊接在评估板上的 MAXM17710 - MAXM17726 模块，结到环境的热阻（θJA）为 45°C/W。当模块在结温高于 +125°C 的条件下运行时，会降低其使用寿命。

（六）PCB 布局指南

为了获得良好的 PCB 布局，建议遵循以下指南：

1. 将输入陶瓷电容尽可能靠近 IN 和 GND 引脚。
2. 将降压转换器的输出陶瓷电容尽可能靠近 OUTB 和 GND 引脚。
3. 最小化 LX 引脚形成的面积，以减少辐射 EMI。
4. 确保反馈连接短而直接。
5. 将 LDO 输出电容靠近 OUTL 和 GND 引脚。

五、典型应用电路

文档中给出了几个典型应用电路，如 MAXM17712、MAXM17720 和 MAXM17724 的应用电路。这些电路展示了如何根据不同的需求选择合适的组件和设置参数，为实际应用提供了参考。

六、总结

MAXM17710 - MAXM17726 集成电源模块以其宽输入电压范围、高效节能、灵活设计和可靠运行等特点，为电子工程师提供了一个优秀的电源解决方案。无论是工业传感器、可编程逻辑控制器、电池供电设备，还是 HVAC 和建筑控制等应用领域，该模块都能发挥其优势，帮助工程师快速实现高性能、高可靠性的电源设计。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理选择模块型号、设置参数，并遵循 PCB 布局指南，以确保模块的性能和稳定性。你在使用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。