MAX17531：高效同步降压DC - DC转换器的设计与应用

在电子设备的电源设计领域，高效、小尺寸且性能稳定的DC - DC转换器一直是工程师们追求的目标。今天，我们就来深入探讨一下Maxim Integrated推出的MAX17531，一款4V至42V输入、50mA输出的超小型、高效同步降压DC - DC转换器。

文件下载：MAX17531.pdf

产品概述

MAX17531集成了MOSFET，工作输入电压范围为4V至42V，能够提供高达50mA的输出电流，输出电压范围从0.8V到0.9×VIN，并且在 - 40°C至 + 125°C的温度范围内，反馈电压精度可达±1.75%。它采用峰值电流模式控制，可在脉冲宽度调制（PWM）或脉冲频率调制（PFM）模式下运行，提供了10引脚（3mm x 2mm）TDFN和10引脚（3mm x 3mm）μMAX®两种封装形式，还提供仿真模型，方便工程师进行设计验证。

产品优势与特性

减少外部元件和总成本

• 同步整流：无需肖特基二极管，采用同步整流方式，简化了电路设计。
• 内部补偿：针对任何输出电压都有内部补偿，减少了外部补偿元件的使用。
• 内置软启动：内置软启动功能，避免了启动时的电流冲击。
• 全陶瓷电容：支持全陶瓷电容，可实现紧凑的布局。

减少DC - DC稳压器库存

• 宽输入范围：4V至42V的宽输入电压范围，适用于多种电源场景。
• 可调输出：输出电压可在0.8V至0.9×VIN之间调节，满足不同的应用需求。
• 可调开关频率：开关频率可在100kHz至2.2MHz之间调节，还支持外部同步。

降低功耗

• 低静态电流：无负载时的电源电流仅为22µA，在PFM模式下能够有效降低功耗。
• 高效率：峰值效率超过90%，PFM模式可进一步提高轻载效率。
• 低关断电流：关断电流低至1.2µA。

恶劣环境下可靠运行

• 过流保护：具有峰值电流限制保护，防止电感和内部FET在短路等情况下损坏。
• 输出电压监测：内置输出电压监测RESET功能，可及时反馈输出电压状态。
• 可编程EN/UVLO阈值：可根据需要设置输入欠压锁定（UVLO）阈值。
• 预偏置负载启动：支持向预偏置输出单调启动，适用于多轨供电的数字集成电路。
• 过温保护：当结温超过 + 160°C时，自动关闭设备，待温度下降20°C后重新开启。
• 宽温度范围：工业级工作温度范围为 - 40°C至 + 125°C，结温范围为 - 40°C至 + 150°C。

电气特性

在 (V{IN}=24V)，(V{GND}=0V)，(V{OUT}=3.3V)，(V{FB}=0.85V)，(V{EN/UVLO}=1.5V)，RT/SYNC = 191kΩ等典型条件下，MAX17531展现出了一系列优秀的电气特性。例如，输入电压范围为4V至42V，输入关断电流在 (V{EN/UVLO}=0V)，(T_{A}= + 25°C) 时为0.67 - 2.25µA，PFM模式下的静态电流为18 - 32µA等。详细的电气特性参数可参考数据手册中的电气特性表格。

引脚配置与功能

MAX17531的引脚配置清晰，各引脚功能明确：

• IN：开关稳压器输入，需连接一个1uF的X7R陶瓷电容到GND进行旁路。
• EN/UVLO：高电平有效，用于使能/欠压检测输入。可通过连接电阻分压器来设置设备开启的输入电压，拉低该引脚可禁用稳压器输出。
• RT/SYNC：振荡器定时电阻输入，通过连接电阻到GND可编程开关频率，也可通过耦合电容连接外部脉冲实现外部同步。
• SS：软启动电容输入，连接电容到GND可设置软启动时间，不连接时默认内部软启动时间为5.1ms。
• FB：输出反馈连接，通过连接电阻分压器到VOUT和GND来设置输出电压。
• VOUT：为内部控制电路提供外部偏置输入，在输出电压为3.3V至5V的应用中，需用陶瓷电容去耦到GND，并通过电阻连接到输出电容正端；输出电压小于3.3V或大于5V时，连接到GND。
• RESET：开漏复位输出，需通过外部电阻上拉到外部电源。当FB电压低于设定值的92%时，RESET拉低；高于设定值的95%后2ms，RESET变为高阻态。
• MODE：PFM/PWM模式选择输入，不连接时为轻载PFM模式，接地时为固定频率PWM模式。
• GND：接地，需连接到电源接地平面，并将所有电路接地连接点单点连接。
• LX：电感连接，连接到电感的开关侧，设备关断时为高阻抗。
• EP（仅TDFN封装）：暴露焊盘，连接到IC的GND引脚。

工作模式与控制逻辑

模式选择

MAX17531通过MODE引脚选择工作模式。当MODE引脚不连接时，轻载时工作在PFM模式；接地时，在所有负载下都工作在恒定频率的强制PWM模式。PWM模式适用于对频率敏感的应用，能提供固定的开关频率，但轻载效率较低；PFM模式可禁用负电感电流，轻载时跳过脉冲以提高效率。

软启动与使能输入

当EN/UVLO电压超过1.25V（典型值）时，设备启动软启动序列。软启动时间取决于SS引脚的状态，不连接时使用5ms的内部软启动，连接电容时，5μA的电流源对电容充电，使SS引脚电压上升，作为内部误差放大器的参考，使输出电压从0单调上升到设定值。EN/UVLO还可用于调整输入欠压锁定电平，拉低该引脚可使功率MOSFET和其他内部电路禁用，将IN静态电流降低到1.2μA以下。

开关频率与外部同步

开关频率可通过连接在RT/SYNC引脚的电阻在100kHz至2.2MHz之间编程，计算公式为 (R{T}=frac{42000}{f{SW}}) 。外部同步时，需通过47pF电容将外部时钟耦合到RT/SYNC引脚，外部时钟逻辑高电平应高于3V，逻辑低电平低于0.5V，占空比在10%至70%之间，且仅在PWM模式下支持外部同步，RT电阻应使开关频率比外部时钟频率低10%，外部时钟应在设备使能后至少500μs施加。

应用设计要点

电感选择

应选择低损耗、直流电阻尽可能小且尺寸合适的电感。电感值计算公式为 (L=frac{18000 × V{OUT }}{f{SW}}) ，输出电感的峰 - 峰纹波电流计算公式为 (Delta l=frac{1000 × V{OUT } timesleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)}{f{SW} × L}) ，电感的饱和电流额定值必须超过最大电流限制值（IPEAK - LIMIT），至少为0.123A。常见的电感核心材料有铁氧体和粉末铁，铁氧体核心损耗低，适用于高效设计；粉末铁核心损耗较大，但成本相对较低。

电容选择

• 输入电容：建议使用小型陶瓷输入电容，如1μF、X7R等级且封装大于0805的电容，可减少从电源汲取的峰值电流，降低开关电路引起的输入噪声和电压纹波。
• 输出电容：推荐使用小型陶瓷X7R等级的输出电容，其作用是在负载瞬态条件下存储足够能量以支持输出电压，并稳定设备的内部控制环路。最小输出电容计算公式为 (C{OUT } (in mu F ) =25 / V{OUT }) ，需注意陶瓷电容的介电材料会因直流偏置电平而出现电容损耗，应适当降额使用。
• 软启动电容：SS引脚不连接时，设备提供5.1ms的内部软启动；需要可调软启动时间时，连接电容到SS引脚，最小软启动时间与输出电容和输出电压的关系为 (t{SS}>0.05 × C{OUT}) ，软启动时间与连接在SS引脚的电容关系为 (C{SS}=6.25 × t{SS}) 。

输入欠压锁定电平设置

可通过连接从IN到GND的电阻分压器来设置设备开启的电压，选择R1最大为3.3MΩ，R2的计算公式为 (R 2=frac{R 1 × 1.25}{left(V{INU }-1.25right)}) ，其中 (V{INU}) 是设备需要开启的电压。若EN/UVLO引脚由外部信号源驱动，建议在信号源输出和EN/UVLO引脚之间放置至少1kΩ的串联电阻，以减少线路上的电压振铃。

输出电压调整

输出电压可在0.8V至0.9×VIN之间编程，通过连接从输出到FB再到GND的电阻分压器来设置。选择R2在25kΩ至100kΩ之间，R1的计算公式为 (R 1=R 2 timesleft[frac{V_{OUT }}{0.8}-1right]) 。

瞬态保护

在电源启动或稳态运行期间，若预计会出现快速线路瞬变或斜率超过15V/µs的振荡，应使用串联电阻与输入陶瓷电容形成低通滤波器来保护MAX17531，这些瞬变可能由热插拔、电感负载切换或电源线上的浪涌引起。

功率损耗与结温估算

功率损耗计算公式为 (P{LOSS }=left(P{OUT } timesleft(frac{1}{eta}-1right)right)-left(I{OUT }^{2} × R{D C R}right)) ，其中 (P{OUT }=V{OUT } × I{OUT }) ，(eta) 为功率转换效率，(R{DCR}) 为输出电感的直流电阻。结温计算公式为 (T{J}=T{A}+left(theta{JA} × P{LOSS}right)) ，其中 (theta_{JA}) 是封装的结到环境的热阻。结温超过 + 125°C会降低设备的使用寿命。

PCB布局指南

良好的PCB布局对于实现干净稳定的运行至关重要。应将输入陶瓷电容尽可能靠近VIN和GND引脚，减小LX引脚和电感连接形成的面积以降低辐射EMI，确保所有反馈连接短而直接，将高速开关节点（LX）远离信号引脚。可参考MAX17531评估套件数据手册中的示例PCB布局，以确保首次设计成功。

典型应用电路

文档中给出了多个典型应用电路，包括5V、3.3V、1.8V和12V等不同输出电压的高效或小尺寸50mA稳压器电路，详细说明了各元件的参数和型号，为工程师提供了实际设计的参考。

总之，MAX17531凭借其高效、小尺寸和丰富的功能特性，在工业传感器、过程控制、高压LDO替代、电池供电设备、HVAC和建筑控制等领域具有广泛的应用前景。工程师在设计过程中，应根据具体应用需求，合理选择元件参数，优化PCB布局，以充分发挥MAX17531的性能优势。你在使用MAX17531的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。