探索MAX5065/MAX5067：双相平均电流模式控制器的卓越性能与应用

在电子工程师的设计世界里，电源管理始终是核心课题。今天，我们将深入探讨MAXIM推出的两款双相PWM控制器——MAX5065和MAX5067，它们在高输出电流应用中展现出了出色的性能。

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一、产品概述

MAX5065/MAX5067采用双相平均电流模式控制，能在紧凑封装中提供高输出电流能力，且所需外部组件极少。这种控制模式可实现低RDS(ON) MOSFET的最优利用，即使在输出大电流时也无需外部散热片。

关键特性

1. 输入电压范围广：支持+4.75V至+5.5V或+8V至+28V的输入电压范围，适应多种电源环境。
2. 输出电压可调：MAX5065输出电压可调范围为+0.6V至+3.3V，MAX5067为+0.8V至+3.3V，满足不同负载需求。
3. 高输出电流：可达60A的输出电流，能应对高功率负载。
4. 内部电压调节器：为+12V或+24V电源总线提供内部电压调节。
5. 可编程自适应输出电压定位：实现最佳瞬态响应。
6. 真差分远程输出传感：确保输出电压的精确控制。
7. 异相控制器：减少输入电容需求，分散功率耗散。
8. 平均电流模式控制：各相和并联模块之间实现卓越的电流共享。
9. 精确电流限制：避免MOSFET和电感降额。
10. 反向电流限制：在并联模块中限制反向电流吸收。
11. 集成4A栅极驱动器：提供强大的驱动能力。
12. 可选固定频率：每相可选250kHz或500kHz（两相最高可达1MHz）。
13. 外部频率同步：支持125kHz至600kHz的外部频率同步。
14. 内部PLL与时钟输出：用于并联多个DC - DC转换器。
15. 热保护：保障器件在高温环境下的稳定运行。

封装形式

MAX5065采用28引脚SSOP封装，MAX5067采用44引脚薄型QFN封装。

二、工作原理

控制环路

MAX5065/MAX5067采用平均电流模式控制方案来调节输出电压，主要控制环路由内部电流环路和外部电压环路组成。

• 内部电流环路：由电流感测电阻、电流感测放大器、电流误差放大器、振荡器和PWM比较器组成。电流感测放大器将感测电阻上的电压放大18倍，电流误差放大器输出是电压误差放大器输出与电流感测放大器增益电压的差值。RC补偿网络连接到CLP1和CLP2，为电流误差放大器提供外部频率补偿。
• 外部电压控制环路：由差分放大器、参考电压和电压误差放大器组成。差分放大器提供输出电压的真差分远程传感，其输出连接到电压误差放大器的反相输入，电压误差放大器的同相输入连接到内部精密参考电压（MAX5065为+0.6V，MAX5067为+0.8V），电压误差放大器控制两个内部电流环路。

内部振荡器与PLL

内部振荡器产生脉宽调制（PWM）电路所需的180°异相时钟信号和2VP - P电压斜坡信号。CLKIN是PLL的CMOS逻辑时钟输入，当外部驱动时，内部振荡器锁定到CLKIN信号。CLKOUT提供相对于CLKIN信号上升沿的相移输出，PHASE引脚可设置CLKOUT的相移量。

自适应电压定位

电压定位可减少满足给定瞬态响应要求所需的输出电容器总数。通过设置空载输出电压略高于标称负载条件下的输出电压，当输出电流突然增加时，允许更大的电压下降；在重负载下以较低输出电压调节，当输出电流突然减小时，允许更大的电压上升。可通过电压误差放大器的电阻反馈设置电压定位窗口。

三、应用领域

1. 服务器和工作站：满足高功率、高稳定性的电源需求。
2. 负载点高电流/高密度电信DC - DC调节器：适应电信设备的严格要求。
3. 网络系统：为网络设备提供稳定的电源。
4. 大容量内存阵列RAID系统：保障数据存储设备的可靠运行。
5. 高端台式计算机：满足高性能计算机的电源需求。

四、设计要点

组件选择

1. 电感选择：开关频率、每相峰 - 峰纹波电流和输出允许纹波决定电感值。较高的开关频率可降低电感要求，但会降低效率；较低的开关频率会增加峰 - 峰电感纹波电流，但多相拓扑中的纹波抵消可降低输入和输出电容的RMS纹波电流。可使用公式(L{MIN }=frac{left(V{INMAX }-V{OUT }right) × V{OUT }}{V{IN } × f{SW} × Delta I_{L}})确定最小电感值，选择电感时应确保其饱和电流大于最坏情况下的峰值电感电流。
2. 开关MOSFET选择：选择MOSFET时需考虑总栅极电荷、RDS(ON)、功率耗散和封装热阻。可使用相关公式估算MOSFET的功率损耗，并确保MOSFET封装的热阻使结温至少比绝对最大额定值低25°C。
3. 输入电容器选择：降压转换器的不连续输入电流波形会在输入电容器中产生大纹波电流，开关频率、峰值电感电流和允许的峰 - 峰电压纹波决定电容要求。增加相数可提高有效开关频率，降低输入电容要求。可使用公式(C{IN}=frac{frac{I{OUT }}{N} × D(1-D)}{Delta V{Q} × f{S W}})和(ESR{IN}=frac{left(Delta V{ESR}right)}{left(frac{OUT }{N}+frac{Delta L}{2}right)})计算输入电容和ESR。
4. 输出电容器选择：最坏情况下的峰 - 峰和电容RMS纹波电流、允许的峰 - 峰输出纹波电压以及阶跃负载期间输出电压的最大偏差决定输出电容和ESR要求。多相转换器设计中，各相的纹波电流相互抵消，降低了纹波电流。可根据不同相数和占空比选择合适的公式计算峰 - 峰输出纹波，并使用公式(C{OUT }=frac{I{STEP } × t{RESPONSE }}{Delta V{Q}})和(ESR{OUT }=frac{Delta V{ESR}}{I_{STEP }})计算所需的ESR和电容值。
5. 电流限制：平均电流模式控制技术可准确限制最大输出电流，可使用公式(R_{SENSE }=frac{0.045}{frac{ OUT }{N}})计算电流感测电阻值。
6. 反向电流限制：当VBUS高于预设输出电压时，MAX5065/MAX5067可限制反向电流，可根据公式(REVERSE =frac{2 × V_{CLR}}{RSENSE })计算最大反向电流。

补偿设计

主控制环路由内部电流环路和外部电压环路组成，通过电阻反馈设置电压误差放大器的增益，确保电感下降斜率不超过斜坡斜率，避免次谐波振荡。可使用相关公式计算补偿电阻和电容值。

PCB布局

1. 将VIN和VCC旁路电容器靠近MAX5065/MAX5067放置。
2. 最小化输入电容、上开关MOSFET、电感和输出电容到输入电容负端的高电流环路面积和长度。
3. 缩短下开关MOSFET、电感和输出电容的电流环路。
4. 将肖特基二极管靠近下MOSFET放置在PCB同一侧。
5. 使SGND和PGND隔离，并在靠近输入滤波电容负端的单点连接。
6. 使电流感测线CS +和CS - 以及远程电压感测线SENSE +和SENSE - 彼此靠近，避免穿过功率电路。
7. 避免VCC旁路电容器、MAX5065/MAX5067的驱动器输出、MOSFET栅极和PGND引脚之间的长走线，最小化相关环路面积。
8. 将输出电容器组靠近负载放置。
9. 在电路板上均匀分布功率组件，以实现良好的散热。
10. 在开关MOSFET、电感和感测电阻周围提供足够的铜面积，以辅助散热。
11. 使用至少4oz铜，以最小化走线电感和电阻。

五、保护功能

过压保护（MAX5067）

OVP比较器将OVPIN输入与过压阈值（通常为+0.8V）进行比较，检测到过压事件时，将比较器输出锁定，使功率级进入OVP状态，此时高端MOSFET关闭，低端MOSFET锁定导通。可使用OVPOUT高电流输出驱动器触发外部撬棒SCR，以保护外部电路。

电源良好发生器（MAX5067）

PGOOD输出在满足以下条件时为高：输出在编程输出电压的90%至108%范围内；两相都提供电流；EN为高。窗口比较器监控输出电压的过压和欠压情况，相故障比较器检测相故障。

相故障检测器（MAX5067）

正常工作时，CLP_上的电压在PWM斜坡的峰 - 峰电压范围内。若某一相发生故障，控制环路会将CLP_电压提高到其工作范围之外。相故障检测电路监控电流放大器的输出（CLP1和CLP2），并将其与2.0V参考电压进行比较，若CLP1或CLP2上的电压高于参考电压超过1250个时钟周期，相故障电路将使PGOOD输出为低。

六、并联操作

对于需要大输出电流的应用，可并联多达三个MAX5065/MAX5067（六个相）以将可用输出电流增加三倍。并联转换器以相同的开关频率但不同的相位工作，可将电容纹波RMS电流降至最低。可通过设置PHASE引脚来调整相移，选择合适的相移可使输入和输出电容的纹波电流最小。

七、总结

MAX5065/MAX5067双相平均电流模式控制器凭借其出色的性能、丰富的功能和灵活的应用方式，为电子工程师在电源管理设计中提供了强大的工具。在实际应用中，合理选择组件、进行补偿设计和优化PCB布局，可充分发挥其优势，满足各种高功率、高性能的电源需求。你在使用MAX5065/MAX5067过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。