MAX17031：双路Quick - PWM降压控制器的深度解析与设计指南

一、引言

在当今的电子设备中，电源管理芯片扮演着至关重要的角色。对于笔记本电脑、超移动PC等设备而言，高效稳定的电源供应是保障设备性能的关键。MAX17031作为一款双路Quick - PWM降压控制器，集成了低功耗LDO和RTC调节器，为主要电源供应提供了出色的解决方案。本文将深入剖析MAX17031的特点、工作模式、设计要点以及应用注意事项，帮助电子工程师更好地理解和应用这款芯片。

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二、产品概述

2.1 主要功能

MAX17031专为电池供电系统中的5V/3.3V主电源生成而设计，采用同步整流技术，具备双路Quick - PWM降压电源（SMPS）控制功能。其低侧MOSFET感应技术提供了一种简单、低成本且高效的电流感应方式，用于谷值电流限制保护，结合输出过压和欠压保护功能，确保了输出电源的稳定性和可靠性。

2.2 应用场景

广泛应用于笔记本电脑、超移动PC、主系统电源（5V和3.3V电源）、2至4节锂离子电池供电设备以及电信等领域。

2.3 特性亮点

• 双路Quick - PWM：预设5V和3.3V输出，内部集成100mA、5V线性稳压器和OUT1 LDO5旁路开关。
• 二次反馈（SKIP输入）：可维持电荷泵，确保系统的稳定供电。
• 实时时钟（RTC）电源：提供3.3V、5mA的实时时钟电源，始终保持开启状态。
• 参考电压：2V ±1%、50µA的参考电压，为系统提供精确的电压基准。
• 宽输入范围：6V至24V的输入电压范围，适应多种电源环境。
• 多种工作模式：支持脉冲跳频/强制PWM/超声波模式控制，满足不同的应用需求。
• 独立控制：具备独立的SMPS和LDO5使能控制，方便用户进行灵活配置。
• 电源良好输出：组合式SMPS PGOOD输出，简化与外部控制器的接口。
• 元件数量少：最小化的元件数量，降低了设计成本和电路板空间。

三、电气特性分析

3.1 输入电源特性

• 输入电压范围：LDO5正常工作时，输入电压范围为6V至24V。
• 待机和关机电流：待机时，输入电源电流在85 - 175µA之间；关机时，电流在40 - 70µA之间，体现了低功耗特性。
• 工作电流：在正常工作状态下，输入电源电流约为0.1 - 0.2mA，VCC偏置电源电流约为0.7 - 1.5mA。

3.2 PWM控制器特性

• 输出电压精度：OUT1输出电压精度在4.95 - 5.05V之间，OUT2输出电压精度在3.267 - 3.333V之间，确保了输出电压的稳定性。
• 负载和线性调节误差：负载调节误差在不同条件下有所不同，但总体控制在较小范围内，线性调节误差为0.005%/V。
• 开关时间：DH1和DH2的导通时间分别在895 - 1209ns和833 - 1017ns之间，最小关断时间为300 - 400ns。
• 软启动和超声波工作频率：软启动斜率为1ms，超声波工作频率在20 - 34kHz之间。

3.3 线性稳压器和RTC特性

• LDO5输出电压精度：在0 < ILDO5 < 100mA时，输出电压精度在4.90 - 5.0V之间。
• RTC输出电压精度：在特定条件下，输出电压精度在3.23 - 3.43V之间。

3.4 其他特性

• 参考电压：参考电压在2.020V左右，参考负载调节误差在 - 10 - +10mV之间。
• 故障检测：具备输出过压和欠压保护功能，故障传播延迟在10µs左右。
• PGOOD特性：PGOOD低触发阈值在 - 16 - - 10%之间，传播延迟为10µs，泄漏电流较小。

四、工作模式详解

4.1 强制PWM模式（VSKIP = 1.8V）

此模式下，零交叉比较器被禁用，低侧栅极驱动波形始终是高侧栅极驱动波形的互补，可保持开关频率相对恒定。但缺点是空载时5V偏置电流在20 - 60mA之间，具体取决于开关频率和MOSFET选择。在关机时，无论SKIP配置如何，MAX17031都会自动采用强制PWM操作。

4.2 自动脉冲跳频模式（VSKIP > 2V）

在轻载时，会自动切换到PFM模式。通过比较器在电感电流过零时截断低侧开关导通时间，实现脉冲跳频。在连续导通时，MAX17031调节输出纹波的谷值；在不连续导通时，输出电压会比误差比较器阈值高约1.5%。

4.3 超声波模式（VSKIP = GND）

将SKIP接地可激活超声波脉冲跳频模式，保证最小开关频率为20kHz，消除轻载时的音频频率调制。当控制器检测到在过去37µs内未发生开关动作时，会触发超声波脉冲，先拉低DL使低侧MOSFET导通，再触发恒定导通时间，有效降低输出电压峰值。

五、设计要点

5.1 电感选择

电感值由开关频率和电感工作点决定，计算公式为 (L=frac{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}{V{IN } f_{SW} LOAD(MAX) LIR }) 。选择低损耗、直流电阻尽可能小的电感，同时要确保电感在峰值电流时不饱和。

5.2 电流限制设置

最小电流限制阈值必须足够大，以支持最大负载电流。可通过在ILIM_和模拟地之间连接电阻来设置可调电流限制阈值，调整时应使用1%公差的电阻，以确保谷值电流限制的准确性。

5.3 输出电容选择

输出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；同时又要足够高，以满足稳定性要求。对于不同的应用场景，可根据具体需求选择合适的电容。

5.4 输入电容选择

输入电容需满足开关电流产生的纹波电流要求，计算公式为 (I{RMS }=I{LOAD }left(frac{sqrt{V{OUT }left(V{IN }-V{OUT }right)}}{V{IN }}right)) 。一般来说，非钽电容（陶瓷、铝或OS - CON）更适合大多数应用。

5.5 功率MOSFET选择

• 高侧MOSFET：要能在VIN(MIN)和VIN(MAX)时都能有效散热，理想情况下，在VIN(MIN)和VIN(MAX)时的损耗应大致相等。
• 低侧MOSFET：选择导通电阻尽可能低、封装适中且价格合理的MOSFET，同时要确保MAX17031的DL_栅极驱动器能提供足够的电流。

六、PCB布局指南

6.1 布局原则

• 保持高电流路径短，特别是接地端子，以确保稳定、无抖动的操作。
• 保持电源走线和负载连接短，采用厚铜PCB可提高满载效率。
• 尽量减少电流感应误差，将LX_直接连接到低侧MOSFET的漏极。
• 优先保证电感充电路径比放电路径长。
• 将高速开关节点（BST、LX、DH和DL）远离敏感模拟区域（REF和OUT_）。

6.2 布局步骤

1. 先放置功率元件，使接地端子相邻。
2. 将控制器IC安装在低侧MOSFET附近，最好在NL_和NH_的背面。
3. 将栅极驱动组件（BST_电容、VDD旁路电容）分组放置在控制器IC附近。
4. 按照特定方式进行DC - DC控制器的接地连接。
5. 将输出电源平面通过多个过孔直接连接到输出滤波电容的正负极。

七、总结

MAX17031作为一款功能强大的双路Quick - PWM降压控制器，具有多种特性和工作模式，适用于多种应用场景。电子工程师在设计过程中，需要根据具体需求合理选择元件，注意PCB布局，以确保系统的高效稳定运行。你在使用MAX17031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。