MAX1830/MAX1831：高效低电压降压调节器的设计与应用

在电子设备的电源管理领域，降压调节器是至关重要的组件。今天，我们将深入探讨MAX1830/MAX1831这两款3A、1MHz的低电压降压调节器，它们具备同步整流和内部开关，为笔记本和亚笔记本电脑等设备的电源转换提供了出色的解决方案。

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一、产品概述

MAX1830/MAX1831是恒定关断时间、脉宽调制（PWM）的降压DC - DC转换器，非常适合5V和3.3V到低电压的转换，广泛应用于笔记本和亚笔记本电脑中。其内部同步整流技术提高了效率，减少了组件数量，无需外部肖特基二极管。内部的45mΩ PMOS功率开关和55mΩ NMOS同步整流开关能够轻松提供高达3A的连续负载电流。

输出电压

MAX1830可产生预设的+2.5V、+1.8V或+1.5V输出电压，也可实现从+1.1V到VIN的可调输出；MAX1831则能产生预设的+3.3V、+2.5V和+1.5V输出电压，同样支持+1.1V到VIN的可调输出。两款器件的效率最高可达94%。

工作模式

采用独特的电流模式、恒定关断时间的PWM控制方案，包含Idle Mode™，可在轻载运行时保持高效率。可编程的恒定关断时间架构可将开关频率设置高达1MHz，用户能够在效率、输出开关噪声、组件尺寸和成本之间优化性能折衷。

其他特性

• 具备连续输出电流高达3A的能力。
• 内部数字软启动功能可限制启动时的浪涌电流。
• 支持100%占空比模式，适用于低压差操作。
• 低功耗关断模式可将输入与输出断开，使电源电流降至1µA以下。
• 采用16引脚QSOP封装。

二、电气特性

输入输出电压

输入电压范围为+3V至+5.5V，不同的FBSEL设置可得到不同的预设输出电压，同时也支持可调输出电压范围从+1.1V到VIN。

精度与效率

输出精度为±1.5%，效率最高可达94%，在不同的输入电压和负载条件下都能保持较好的性能。

开关参数

开关频率最高可达1MHz，PMOS和NMOS开关的导通电阻在不同输入电压下有不同的值，如在VIN = +4.5V时，PMOS开关导通电阻为45mΩ，NMOS为55mΩ；在VIN = +3V时，PMOS为50mΩ，NMOS为55mΩ。

其他参数

还包括空载电源电流、关断电源电流、热关断阈值、欠压锁定阈值等一系列电气参数，这些参数共同保证了器件的稳定运行。

三、工作模式

恒定关断时间模式

当PMOS开关中的电流大于Idle Mode阈值电流（对应负载电流为Idle Mode阈值的一半）时，进入恒定关断时间模式。在此模式下，调节比较器在每个关断时间结束时开启PMOS开关，使器件保持连续导通模式。PMOS开关保持开启，直到输出达到调节状态或达到电流限制。当PMOS开关关闭时，它将保持关闭状态，直到达到编程的关断时间（tOFF）。在短路情况下，当VOUT < VOUT(NOM) / 4时，PMOS开关将保持关闭约4 x tOFF。

Idle Mode

在轻载情况下，器件切换到脉冲跳过的Idle Mode以提高效率。当PMOS开关中的电流小于Idle Mode阈值电流时，进入此模式。Idle Mode会使PMOS保持开启，直到开关中的电流达到Idle Mode阈值，从而减少轻载下降低效率的不必要开关操作。在此模式下，器件以不连续导通方式运行，电流检测电路会监控NMOS同步开关中的电流，在电流反向之前将其关闭，防止电流通过电感和NMOS开关从输出滤波器流向地。

100%占空比操作

当输入电压接近输出电压时，占空比增加，直到PMOS MOSFET持续导通。100%占空比下的压差电压是输出电流乘以内部PMOS开关的导通电阻和电感中的寄生电阻。只要未达到电流限制，PMOS开关将持续导通。

四、设计要点

组件选择

• 电感选择：关键参数包括电感值（L）和峰值电流（IPEAK）。电感值可通过公式 (L=frac{V{OUT } × t{OFF }}{I_{OUT } × LIR }) 计算，其中LIR是峰 - 峰电感交流电流（纹波电流）与最大直流负载电流的比值，通常取0.25。选择的电感饱和电流应至少等于峰值电感电流，且在所选工作频率下具有低损耗。
• 电容选择：输入滤波电容应选择低ESR和低ESL的电容，距离IN引脚不超过5mm，根据RMS输入纹波电流要求和电压额定值选择。输出滤波电容会影响输出电压纹波、输出负载瞬态响应和反馈环路稳定性，稳定运行时需要满足一定的条件，如最小输出纹波电压 (VRIPPLE ≥1 %) ✕ VOUT，最小ESR (ESR >1 % × frac{L}{t{OFF }}) ，以及 (C{OUT } geq frac{t{OFF }}{V{OUT }} 79 mu FV / mu s) 。

输出电压设置

MAX1830/MAX1831的输出可以在三个预设输出电压中选择。对于预设输出电压，将FB连接到输出电压，并根据表2连接FBSEL。对于可调输出电压，将FBSEL连接到GND，并将FB连接到输出电压和地之间的电阻分压器。

开关频率和关断时间编程

开关频率由输入和输出电压以及连接在TOFF和GND之间的RTOFF的值决定。可通过公式 (t{OFF }=frac{left(V{IN }-V{OUT }-V{PMOS }right)}{fPWMleft(V{IN }-V{PMOS }+V{NMOS }right)}) 选择关断时间，再根据公式 (RTOFF =(t{OFF }-0.07 mu s)(110 k Omega / 1.00 mu s)) 选择RTOFF。

五、热管理与布局

热管理

热阻与IC引脚周围的铜面积密切相关，MAX1830/MAX1831评估套件在无强制气流的情况下，0.7in²的铜面积热阻为+71°C/W，气流可显著降低结 - 环境热阻。功率耗散主要由两个内部功率开关的传导损耗决定，可通过相关公式计算。当超过热限制时，器件会进入热关断以防止损坏。

电路布局

良好的布局对于实现MAX1830/MAX1831的预期输出功率水平、高效率和低噪声至关重要。要点包括：

• 最小化开关电流和大电流接地环路，将输入电容的接地、输出电容的接地和PGND连接，并在一点连接到GND。
• 输入滤波电容距离IN引脚小于5mm，连接铜迹线宽度至少1mm，优选2.5mm。
• 将LX节点组件尽可能靠近器件放置，以减少电阻和开关损耗以及噪声。
• 使用接地平面，在多层板中充分利用各层，避免大交流电流通过接地平面。

六、总结

MAX1830/MAX1831降压调节器凭借其高效的同步整流、内部开关和多种工作模式，为低电压电源转换提供了可靠的解决方案。在设计过程中，合理选择组件、正确设置输出电压和开关频率、做好热管理和电路布局，能够充分发挥其性能优势，满足不同应用场景的需求。各位工程师在实际应用中，不妨根据具体需求对这些要点进行深入研究和优化，你在使用过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。