笔记本电脑高效四路输出主电源控制器MAX1777/MAX1977/MAX1999解析

在笔记本电脑的电源设计领域，电源控制器的性能直接影响着整个系统的效率、稳定性和可靠性。MAXIM推出的MAX1777/MAX1977/MAX1999系列电源控制器，为笔记本电脑的电源设计提供了出色的解决方案。下面我们就来深入了解一下这一系列控制器。

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产品概述

MAX1777/MAX1977/MAX1999是双降压、BiCMOS开关模式电源控制器，专为笔记本电脑生成逻辑电源电压。它们主要用于电池供电的应用，在这些应用中，高效率和低静态电源电流至关重要。

产品特性

1. 电流检测方式多样：MAX1999无需电流检测电阻，而MAX1777/MAX1977可通过电流检测电阻进行精确的电流检测。
2. 输出电压精度高：具有1.5%的输出电压精度。
3. 集成线性稳压器：包含两个线性稳压器，提供5V和3.3V始终开启的输出，每个线性稳压器可提供高达100mA的输出电流。
4. 多种工作模式：具备内部软启动和软停止输出放电功能，防止关机时出现负电压；拥有Quick - PWM模式，负载阶跃响应时间为100ns；支持3.3V和5V固定或可调输出（双模式™）；输入电压范围为4.5V至24V；具备超声波脉冲跳跃模式（最低25kHz）；提供电源良好（PGOOD）信号。

产品型号差异

• MAX1777：采用200kHz/5V和300kHz/3.3V的开关模式电源（SMPS），以实现最高效率。
• MAX1977：采用400kHz/5V和500kHz/3.3V的SMPS，适用于“轻薄”应用。
• MAX1999：提供引脚可选的开关频率，可选择200kHz/300kHz或400kHz/500kHz的5V/3.3V SMPS工作模式。

电气特性分析

主SMPS控制器

• 输入电压范围：LDO5处于稳压状态时，V +输入电压范围为4.5V至24V。
• 输出电压：在固定模式下，3.3V输出电压为3.27V至3.39V，5V输出电压在不同型号和条件下有所不同；在可调模式下，输出电压范围为1.97V至2.03V，输出电压调整范围为2.0V至5.5V。
• 电流限制阈值：默认正电流限制阈值为90mV至110mV，可通过ILIM_引脚进行调整。

内部稳压器和参考电压

• LDO5输出电压：在6V < V + < 24V，0 < ILDO5 < 100mA的条件下，输出电压为4.90V至5.10V。
• LDO3输出电压：在相同条件下，输出电压为3.27V至3.43V。
• REF输出电压：无外部负载时，输出电压为1.975V至2.025V。

故障检测

• 过压保护：当输出电压高于标称调节点8%至14%时，过压保护触发。
• 欠压保护：当输出电压低于标称输出电压65%至75%时，欠压保护触发。
• PGOOD信号：用于监测输出电压的欠压情况，当输出电压低于标称值10%时，PGOOD信号拉低。

工作模式及原理

Quick - PWM控制架构

这是一种伪固定频率、恒定导通时间、具有电压前馈的电流模式控制架构。它依靠输出纹波电压提供PWM斜坡信号，输出滤波电容的ESR充当电流反馈电阻。高侧开关导通时间由一个单稳态触发器决定，该触发器的周期与输入电压成反比，与输出电压成正比。

自动脉冲跳跃切换（空闲模式）

在空闲模式（SKIP = GND）下，轻负载时会自动切换到脉冲频率调制（PFM）模式。这种切换由一个比较器控制，该比较器在电感电流过零时截断低侧开关导通时间。

强制PWM模式

低噪声的强制PWM模式（SKIP = VCC）禁用零交叉比较器，使低侧栅极驱动波形成为高侧栅极驱动波形的互补波形。该模式可保持开关频率相对恒定，但空载电池电流可能会达到10mA至50mA。

最小25kHz脉冲跳跃模式（超声波模式）

将SKIP引脚悬空或连接到REF可激活超声波脉冲跳跃模式，该模式的最低开关频率为25kHz，可减少轻负载时电源的音频频率调制。

设计要点

电感选择

电感值由开关频率和电感纹波电流比（LIR）决定，计算公式为(L=frac{V{OUT }left(V+-V{OUT }right)}{V+× f × LIR × I_{LOAD(MAX) }})。同时，要选择低损耗、直流电阻尽可能低的电感，确保其在峰值电感电流下不会饱和。

电流限制确定

最小电流限制阈值必须能够支持最大负载电流，计算公式为(LIMIT(LOW) > ILOAD(MAX) - [(LIR/2) × ILLOAD( MAX )])。

输出电容选择

输出滤波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，计算公式为(R{ESR} leq frac{V{P - P}}{LIR × I{LOAD(MAX) }})和(R{E S R} leq frac{V_{DIP }}{ LOAD(MAX) })。

稳定性考虑

稳定性由ESR零点频率（fESR）与开关频率（f）的相对值决定，不稳定的表现包括双脉冲和快速反馈环路不稳定。可通过施加快速负载瞬态并观察输出电压纹波包络来检查稳定性。

输入电容选择

输入电容要满足输入纹波电流要求，输入RMS电流计算公式为(I{RMS } approx I{LOAD }left(frac{sqrt{V{OUT {-}}left(V+-V{OUT {-}}right)}}{V_{+}}right))。优先选择非钽电容，以降低ESR和提高抗上电浪涌电流能力。

功率MOSFET选择

高侧MOSFET的导通损耗和开关损耗要在典型电池电压下相等，以实现最大效率；同步整流器要选择RDS(ON)尽可能低的型号。

整流器选择

在同步整流器两端并联肖特基二极管，可降低正向电压降，提高效率。二极管的直流电流额定值应为负载电流的三分之一，反向击穿电压额定值要至少等于最大输入电压。

PCB布局指南

• 隔离敏感元件：使用接地屏蔽将电源组件与敏感模拟组件隔离开，避免AC电流引入PGND3和PGND5接地平面。
• 采用星形接地：在电源平面使用星形接地连接，以最小化OUT3和OUT5之间的串扰。
• 缩短高电流路径：保持高电流路径短，特别是在接地端子处，以确保稳定、无抖动的操作。
• 合理布线：将高速开关节点（BST、DH、LX和DL）远离敏感模拟区域（REF、ILIM和FB），使用PGND3和PGND5作为EMI屏蔽。

应用信息

降压性能

连续导通操作的输出电压调整范围受非可调的350ns（最大）最小关断时间单稳态触发器限制。在可调反馈模式下，使用较慢的5V SMPS作为两个输出电压中较高的一个，可获得最佳降压性能。

耦合电感的使用

可使用耦合电感或变压器创建辅助输出，MAX1777/MAX1977/MAX1999适用于此类应用，可配置为超声波或强制PWM模式，以确保主电源轻载时的良好负载调节。

MAX1777/MAX1977/MAX1999系列电源控制器凭借其丰富的功能和出色的性能，为笔记本电脑的电源设计提供了可靠的解决方案。在实际设计过程中，工程师需要根据具体应用需求，合理选择电感、电容、MOSFET等元件，并遵循PCB布局指南，以确保电源系统的高效、稳定运行。大家在使用这些控制器时，是否遇到过一些独特的问题呢？欢迎在评论区分享交流。