MAX17504：高效同步降压DC - DC转换器的设计与应用

一、引言

在电子设备的电源设计中，DC - DC转换器是至关重要的组件，它能将输入电压转换为合适的输出电压，为设备提供稳定的电源。今天要介绍的MAX17504/MAX17504S就是一款高性能的同步降压DC - DC转换器，它具有宽输入电压范围、高输出电流能力和多种工作模式等优点，适用于多种工业和通用电源应用场景。

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二、产品概述

2.1 基本特性

MAX17504/MAX17504S是一款高效、高压的同步整流降压转换器，集成了双MOSFET，可在4.5V至60V的输入电压范围内工作，能提供高达3.5A的输出电流，输出电压范围为0.9V至90%VIN。内置的补偿功能覆盖了整个输出电压范围，无需外部补偿组件。在 - 40°C至 + 125°C的温度范围内，反馈（FB）调节精度为±1.1%。其采用紧凑的5mm x 5mm TQFN无铅封装，带有外露焊盘，并且提供仿真模型。

2.2 工作模式

它具有峰值电流模式控制架构，通过MODE引脚可选择脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）或不连续模式（DCM）控制方案：

• PWM模式：在所有负载下提供恒定频率操作，适用于对开关频率敏感的应用，但在轻载时效率较低。
• PFM模式：禁用负电感电流，并在轻载时跳过脉冲以提高效率，但输出电压纹波较大，轻载时开关频率不恒定。
• DCM模式：在轻载下具有恒定频率操作，不跳过脉冲，仅禁用负电感电流，效率介于PWM和PFM模式之间。其中，MAX17504S提供更低的最小导通时间，允许更高的开关频率和更小的解决方案尺寸。

2.3 其他特性

该产品还具有可编程软启动功能，可降低输入浪涌电流；集成了输出使能/欠压锁定引脚（EN/UVLO），可在所需的输入电压水平下开启器件；开漏RESET引脚在输出电压成功调节后向系统提供延迟的电源正常信号。

三、电气特性

3.1 绝对最大额定值

在使用MAX17504时，需要注意其绝对最大额定值，如VIN到PGND的电压范围为 - 0.3V至 + 65V等，超过这些额定值可能会对器件造成永久性损坏。

3.2 电气参数

在特定的测试条件下（如VIN = VENUVLO = 24V，RRT = 40.2kΩ等），该器件具有一系列电气参数。例如，输入电压范围为4.5V至60V，输入关断电流在不同条件下有不同的值；EN/UVLO引脚的阈值在上升和下降时有特定的电压范围；LDO输出电压范围在不同负载电流下也有相应规定等。

四、典型工作特性

4.1 效率与负载电流关系

从典型工作特性曲线可以看出，在不同的输入电压、输出电压和工作模式下，效率与负载电流呈现不同的关系。例如，在PWM模式下，随着负载电流的增加，效率会先上升后趋于稳定；在PFM模式下，轻载时效率较高。这有助于工程师根据实际负载情况选择合适的工作模式，以提高电源效率。

4.2 负载和线性调节

负载和线性调节特性展示了输出电压随负载电流和输入电压变化的情况。通过这些曲线，工程师可以评估在不同输入电压和负载电流下，输出电压的稳定性，从而确保设备在各种工作条件下都能获得稳定的电源供应。

五、引脚配置与功能

5.1 引脚配置

MAX17504采用20引脚的TQFN封装，各引脚具有不同的功能。例如，VIN引脚为电源输入，EN/UVLO引脚用于使能/欠压锁定，RESET引脚为开漏输出，用于监控输出电压等。

5.2 引脚功能详解

• VIN引脚：需要将多个VIN引脚连接在一起，并使用两个2.2uF的电容与PGND进行去耦，以提供稳定的输入电源。
• EN/UVLO引脚：通过连接到Vin和SGND之间的电阻分压器的中心节点，可以设置器件开启的输入电压。
• RESET引脚：当FB电压下降到设定值的92%以下时，RESET输出低电平；当FB电压上升到设定值的95%以上1024个时钟周期后，RESET输出高电平。

六、详细工作原理

6.1 控制架构

MAX17504采用峰值电流模式控制架构。内部跨导误差放大器在内部节点产生积分误差电压，通过PWM比较器、高端电流检测放大器和斜率补偿发生器来设置占空比。在时钟的每个上升沿，高端MOSFET导通，直到达到适当或最大占空比，或者检测到峰值电流限制。

6.2 模式选择

MODE引脚的逻辑状态在VCC和EN/UVLO电压超过各自的UVLO上升阈值且所有内部电压准备好允许LX开关时被锁存。在不同的MODE引脚连接方式下，器件可工作在不同的模式：

• PFM模式：上电时MODE引脚开路，轻载时工作在PFM模式，通过禁用负电感电流和跳过脉冲来提高效率。
• PWM模式：上电时MODE引脚接地，所有负载下工作在恒定频率PWM模式。
• DCM模式：上电时MODE引脚连接到VCC，轻载时工作在恒定频率DCM模式。

6.3 其他特性工作原理

• 过流保护/HICCUP模式：具有逐周期峰值电流限制和失控电流限制，当出现过流情况时会触发HICCUP模式，即在32,768个时钟周期内暂停开关，然后尝试再次软启动。
• RESET输出：通过RESET比较器监控输出电压，当输出电压达到一定条件时，RESET引脚输出相应的电平信号。
• 热关断保护：当器件的结温超过 + 165°C时，片上热传感器会关闭器件，结温下降10°C后再次开启，软启动在热关断期间会重置。

七、应用信息

7.1 组件选择

• 输入电容：输入滤波电容可减少从电源吸取的峰值电流和输入电压纹波。根据公式计算输入电容的RMS电流和电容值，选择低ESR、高纹波电流能力的陶瓷电容，如X7R电容。在源与器件输入距离较远时，需并联电解电容以提供必要的阻尼。
• 电感：需要确定电感值、饱和电流和直流电阻。根据开关频率和输出电压计算电感值，选择接近计算值、低损耗、低直流电阻且饱和电流大于峰值电流限制值的电感。
• 输出电容：优先选择X7R陶瓷输出电容，根据负载电流阶跃、响应时间、允许的输出电压偏差等参数计算最小输出电容值。同时要考虑陶瓷电容的直流电压降额。
• 软启动电容：通过连接从SS引脚到SGND的电容来编程软启动时间，根据输出电容和输出电压确定最小软启动电容值。

7.2 参数设置

• 设置输入欠压锁定电平：通过连接从VIN到SGND的电阻分压器，将分压器的中心节点连接到EN/UVLO引脚，可设置器件开启的电压。
• 调整输出电压：使用从输出电容正端到SGND的电阻分压器，将分压器的中心节点连接到FB引脚，根据公式计算电阻值来设置输出电压。

7.3 功率损耗与热管理

根据公式计算功率损耗，通过热阻参数和环境温度估算结温。为避免热关断的误触发，需仔细评估总功率损耗。

7.4 PCB布局指南

PCB布局对器件的性能和可靠性有重要影响。所有承载脉冲电流的连接应尽可能短且宽，以减少电感；输入滤波电容和VCC旁路电容应靠近IC引脚；模拟小信号地和开关电流的功率地应分开，并在VCC旁路电容的返回端连接；在器件的外露焊盘下方提供多个热过孔以提高散热效率。

八、总结

MAX17504/MAX17504S是一款功能强大、性能优越的同步降压DC - DC转换器，具有宽输入电压范围、高输出电流能力、多种工作模式和丰富的保护功能。在实际应用中，工程师需要根据具体的设计需求，合理选择组件、设置参数，并注意PCB布局和热管理，以充分发挥该器件的优势，为电子设备提供稳定、高效的电源解决方案。大家在使用过程中遇到任何问题，欢迎一起交流探讨。