深入剖析MAX1970/MAX1971/MAX1972：高性能双路降压调节器的设计与应用

在电子设计领域，电源管理芯片的性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天，我们就来深入探讨一下MAXIM公司的MAX1970/MAX1971/MAX1972系列双路降压调节器，看看它在实际应用中能为我们带来哪些优势。

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一、产品概述

MAX1970/MAX1971/MAX1972是一款双路输出、固定频率、电流模式的PWM降压DC - DC转换器。其中，MAX1970和MAX1972的开关频率为1.4MHz，而MAX1971则为700kHz。两路转换器采用180°异相开关方式，有效降低了输入纹波电流，同时高频开关特性允许使用更小的电容进行滤波和解耦。内部同步整流器提高了效率，并且省去了典型的肖特基续流二极管。通过内部MOSFET的导通电阻来感测开关电流，不仅控制和保护了MOSFET，还省去了电流感测电阻，进一步提高了效率并降低了成本。

1. 输入输出特性

输入电压范围为2.6V至5.5V，每路输出能够提供至少750mA的电流。输出电压可以通过外部反馈电阻在1.2V至VIN之间进行编程，也可以预设为OUT1的1.8V或3.3V，以及OUT2的1.5V或2.5V。当一个输出高于1.2V时，另一个输出可以配置到低于1V的水平，并且输出精度在负载、线路和温度变化范围内优于±1%。

2. 关键特性

• 电流模式、1.4MHz固定频率PWM操作：确保稳定的输出和高效的转换。
• 180°异相操作：降低输入电容的需求。
• ±1%的输出精度：在不同负载、线路和温度条件下都能保持稳定。
• 750mA的保证输出电流：满足大多数应用的功率需求。
• 上电复位（POR）功能：提供系统复位信号，确保系统稳定启动。
• 电源故障输出（PFO，仅MAX1970和MAX1972）：可用于检测USB电源故障。
• 复位输入（RSI，仅MAX1971）：允许软件命令系统复位。
• 工作在xDSL频段之外：避免干扰。
• 超紧凑设计：使用最小的外部组件。
• 输出可在0.8V至VIN之间调节：或者预设为特定电压。
• 全陶瓷电容应用：提高稳定性和可靠性。
• 软启动功能：减少启动时的浪涌电流。

二、工作原理

1. DC - DC控制器

该系列芯片采用脉冲宽度调制（PWM）电流模式控制方案。其核心是一个开环比较器，将集成的电压反馈信号与放大的电流感测信号和斜率补偿斜坡之和进行比较。在内部时钟的每个上升沿，内部高端MOSFET导通，直到PWM比较器触发。在此期间，电流通过电感上升，为输出提供电流并在磁场中存储能量。电流模式反馈系统根据输出电压误差信号调节电感峰值电流，由于平均电感电流与峰值电感电流几乎相同（假设电感值相对较高以最小化纹波电流），电路就像一个开关模式跨导放大器，将通常在电压模式PWM中出现的输出LC滤波器极点推到更高频率。为了保持内环稳定性并消除电感阶梯效应，将斜率补偿斜坡加入到主PWM比较器中。在周期的后半段，内部高端MOSFET关闭，内部低端n沟道MOSFET导通，电感释放存储的能量，同时仍为输出提供电流。

2. 电流感测

电流感测电路放大由高端MOSFET的导通电阻和电感电流（RDS(ON) × IINDUCTOR）产生的电流感测电压。这个放大的电流感测信号和内部斜率补偿信号被一起加到PWM比较器的反相输入端。当这个和超过集成的反馈电压时，PWM比较器关闭内部高端MOSFET。

3. 电流限制

内部MOSFET的电流限制为1.2A（典型值）。如果从LX_流出的电流超过这个最大值，高端MOSFET关闭，同步整流器MOSFET导通，降低占空比并导致输出电压下降，直到电流限制不再被超过。此外，还有一个同步整流器电流限制为 - 0.85A，用于保护器件免受电流流入LX_的影响。

三、设计要点

1. 输出电压选择

输出电压可以通过三种方式进行选择：

• 预设电压：通过将FBSEL_连接到VCC或GND，可以将OUT1设置为3.3V或1.8V，将OUT2设置为2.5V或1.5V。
• 外部电阻分压器：当FBSEL_悬空时，可以使用外部电阻分压器将每个输出设置为1.2V至VIN之间的任意电压。计算公式为 (R_a = Rb times [frac{V{OUT}}{1.2} - 1]) ，其中 (R_a) 是从FB_到OUT_的电阻， (R_b) 是从FB_到GND的电阻。
• 低于1.2V的输出设置：如果要将一个输出设置为低于1.2V，另一个输出必须高于1.2V。通过连接电阻R1从FB1到OUT1，连接电阻R2从FB1到OUT2，并满足 (R1 = R2 frac{V{OUT1} - 1.2}{1.2 - V{OUT2}}) ，同时确保电流约为100µA。

2. 电感值选择

对于大多数应用，建议使用3.3µH至6.8µH的电感，饱和电流至少为800mA。为了获得最佳效率，电感的直流电阻应小于100mΩ，饱和电流应大于1A。合理的电感值可以通过公式 (L{INIT} = frac{V{OUT}(V{IN} - V{OUT})}{V{IN} × LIR × I{OUT(MAX)} × t_{osc}}) 计算，其中LIR为电感电流纹波百分比，建议保持在最大负载电流的20%至40%之间。

3. 电容选择

• 输入电容：输入滤波电容用于减少从电源汲取的峰值电流，降低电路开关引起的输入噪声和电压纹波。建议使用陶瓷电容，因为它具有低等效串联电阻（ESR）、等效串联电感（ESL）和较低的成本。电容应满足由开关电流定义的纹波电流要求（IRMS），计算公式为 (RMS = frac{1}{V{IN}} sqrt{2 × V{OUT1}(V{IN} - V{OUT2})}) 。
• 输出电容：输出电容的关键选择参数包括电容值、ESR、ESL和电压额定要求，这些参数会影响DC - DC转换器的整体稳定性、输出纹波电压和瞬态响应。输出纹波由输出电容存储的电荷变化、电容ESR引起的电压降和电容ESL引起的电压降组成，计算公式分别为 (V{RIPPLE(C)} = frac{IP - P}{8 × C{OUT} × f{SW}}) 、 (V{RIPPLE(ESR)} = l{P - P} × ESR) 和 (V{RIPPLE(ESL)} = (IP - P/TON) × ESL) （或 ((IP - P/TOFF) × ESL) ，取较大值），其中IP - P为电感电流峰 - 峰值。

4. 补偿设计

内部跨导误差放大器用于补偿控制回路。在COMP和GND之间连接一个串联电阻和电容，形成一个零极点对。外部电感、内部高端MOSFET、输出电容、补偿电阻和补偿电容决定了环路稳定性。为了获得最佳稳定性和响应性能，闭环单位增益频率应远高于调制器极点频率，并且大约为50kHz。通过公式可以计算补偿电阻 (R{C} = frac{V{O}}{gm{EA} × V{FB} × G{MOD(fc)}}) 和补偿电容 (C{C} = V{OUT} × frac{C{OUT}}{R{C} × I{OUT(MAX)}}) 。

四、应用注意事项

1. PCB布局

PCB布局对于实现干净稳定的操作至关重要。特别是开关功率级，需要特别注意以下几点：

• 尽可能将去耦电容靠近IC引脚放置。
• 保持功率接地平面（连接到PGND）和信号接地平面（连接到GND）分开，并通过PGND到GND的单个连接将两个接地平面连接在一起。
• 输入和输出电容连接到功率接地平面，其他电容连接到信号接地平面。
• 保持高电流路径尽可能短而宽。
• 如果可能，将IN、LX1、LX2和PGND分别连接到一个大的焊盘区域，以帮助冷却IC，提高效率和长期可靠性。
• 确保所有反馈连接短而直接，将反馈电阻尽可能靠近IC放置。
• 避免将高速开关节点靠近敏感的模拟区域（FB1、FB2、COMP1、COMP2）。

2. 其他特性

• 软启动：为了减少电源浪涌电流，软启动电路在启动期间使输出电压斜坡上升。通过一个25µA的电流源对REF电容充电，当REF达到1.2V时，输出进入完全调节状态。软启动时间由 (t{SS} = frac{V{REF}}{I{REF}} C{REF} = 4.8 × 10^{4} × C_{REF}) 确定，CREF的电容值范围为0.01µF至1.0µF。
• 欠压锁定（UVLO）：如果VCC下降到2.35V以下，芯片会认为电源电压过低，无法提供有效的输出电压，UVLO电路会禁止开关操作。当VCC上升到2.4V以上时，UVLO被禁用，软启动序列开始。
• 使能功能：提供逻辑使能输入（EN），正常操作时将EN驱动为高电平，驱动为低电平时关闭两个输出，并将输入电源电流降低到约1µA。
• 电源故障输出（PFO）：当VCC下降到3.94V以下时，PFO输出变为高电平，可用于检测有效的USB输入电压。建议使用10kΩ至100kΩ的上拉电阻将PFO连接到VCC或任一输出。
• 上电复位（POR）：POR提供系统复位信号。上电时，POR保持低电平，直到两个输出达到其调节电压的92%，然后保持低电平一段时间（MAX1970为16.6ms，MAX1971和MAX1972为175ms），之后变为高电平。
• 复位输入（RSI，仅MAX1971）：当RSI驱动为高电平时，强制POR变为低电平。当RSI变为低电平时，POR会经历一个与上电事件相同的延迟时间。
• 热过载保护：当IC的结温超过 + 170°C时，热传感器会关闭器件，使其冷却。当结温下降20°C后，热传感器会再次开启器件，在连续过载条件下会导致脉冲输出。

五、总结

MAX1970/MAX1971/MAX1972系列双路降压调节器凭借其高性能、高集成度和丰富的特性，在xDSL调制解调器、xDSL路由器、铜千兆SFP和GBIC模块、USB供电设备以及双LDO替换等应用中具有很大的优势。在设计过程中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择输出电压、电感值、电容值，并进行适当的补偿设计和PCB布局，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在实际应用中是否遇到过类似芯片的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。