MAX17531：高效同步降压DC - DC转换器的设计与应用

在电子设计领域，DC - DC转换器是电源管理中不可或缺的一部分。今天，我们要深入探讨的是Maxim Integrated推出的MAX17531，一款4V至42V输入、50mA输出的超小型、高效同步降压DC - DC转换器。

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一、产品概述

MAX17531集成了MOSFET，可在4V至42V的宽输入电压范围内工作，能提供高达50mA的输出电流，输出电压范围为0.8V至0.9×VIN，并且在 - 40°C至 + 125°C的温度范围内，反馈电压精度可达±1.75%。它采用峰值电流模式控制，支持脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PFM）两种工作模式。该器件提供10引脚（3mm x 2mm）TDFN和10引脚（3mm x 3mm）μMAX®封装，还提供仿真模型。

二、产品优势与特性

2.1 减少外部元件和总成本

• 同步整流：无需肖特基二极管，采用同步整流方式，降低了成本和功耗。
• 内部补偿：对于任何输出电压都有内部补偿，简化了设计过程。
• 内置软启动：避免了启动时的电流冲击，保护电路元件。
• 全陶瓷电容：支持全陶瓷电容，可实现紧凑的布局。

2.2 减少DC - DC调节器库存

• 宽输入范围：4V至42V的宽输入范围，适用于多种电源场景。
• 可调输出：输出电压可在0.8V至0.9×VIN之间调节，满足不同应用需求。
• 可调开关频率：开关频率可在100kHz至2.2MHz之间调节，并支持外部同步。

2.3 降低功耗

• 低静态电流：无负载时静态电流仅22µA，轻载效率高。
• 高效模式：PFM模式进一步提高轻载效率，关机电流低至1.2µA。

2.4 恶劣环境下可靠运行

• 过流保护：具备峰值电流限制保护，防止电路因过流损坏。
• 输出电压监控：内置输出电压监控RESET功能，可及时反馈输出电压状态。
• 可编程阈值：EN/UVLO阈值可编程，灵活控制设备的启动和关闭。
• 预偏置启动：支持单调启动进入预偏置负载，适用于复杂电源系统。
• 过温保护：当结温超过 + 160°C时，自动关闭设备，防止过热损坏。
• 宽温度范围：工业级 - 40°C至 + 125°C的环境工作温度范围和 - 40°C至 + 150°C的结温范围，适应各种恶劣环境。

三、电气特性

3.1 输入电源

输入电压范围为4V至42V，输入关机电流在VEN/UVLO = 0V、TA = + 25°C时为0.67 - 2.25µA。PFM模式下输入电源电流IQ - PFM为18 - 32µA，PWM正常开关模式下，VIN = 24V时输入电源电流IQ - PWM为180 - 650µA。

3.2 外部偏置

VOUT开关阈值为2.96 - 3.12V。

3.3 使能/欠压锁定

EN/UVLO上升阈值为1.2 - 1.3V，下降阈值为1.1 - 1.2V，真正关机阈值为0.7V，泄漏电流在VEN/UVLO = 1.3V、TA = + 25°C时为 - 100至 + 100nA。

3.4 功率MOSFET

高端pMOS导通电阻RDS - ONH在ILX = 0.1A（源极）时为2.7 - 9.5Ω，低端nMOS导通电阻RDS - ONL在ILX = 0.1A（漏极）时为1.25 - 5Ω，LX泄漏电流在VEN = 0V、TA = + 25°C、VLX = (VGND + 1V)至(VIN - 1V)时为 - 1至 + 1µA。

3.5 软启动

软启动时间在SS未连接时为4.4 - 5.8ms，SS充电电流在VSS = 0.4V时为4.7 - 5.3µA。

3.6 反馈

MODE = GND时，FB调节电压为0.786 - 0.814V；MODE未连接时，为0.786 - 0.826V。FB输入泄漏电流在VFB = 1V、TA = 25°C时为 - 100至 + 100nA。

3.7 电流限制

峰值电流限制阈值为97 - 123mA，负电流限制阈值在VMODE = GND时为33 - 66mA，VMODE未连接时为0.01mA，PFM电流水平在VMODE未连接时为28 - 47mA。

3.8 振荡器

开关频率可通过连接在RT/SYNC引脚的电阻进行编程，范围为100kHz至2.2MHz。不同电阻值对应不同的开关频率，如RRT = 422kΩ时为90 - 111kHz，RRT = 191kΩ时为205 - 235kHz等。

3.9 同步

SYNC输入频率为1.1×fSW，最大2200kHz，SYNC脉冲最小关断时间为40ns，SYNC上升阈值为1 - 1.44V，滞后为0.115 - 0.265V，使能同步所需的SYNC脉冲数为1个周期。

3.10 时序

最小导通时间tON - MIN在fSW ≤ 600kHz、VFB = 0.98×VFB - REG时为46 - 128ns，最大占空比DMAX在fSW ≤ 600kHz时为90 - 94%，fSW > 600kHz时为87 - 92%，打嗝超时时间为51ms。

3.11 复位

RESET上升的FB阈值为93 - 97%，下降的FB阈值为90 - 94%，FB达到95%调节后RESET延迟2.1ms，RESET输出低电平在IRESET = 1mA时为0.23V，RESET输出泄漏电流在VFB = 1.01×VFB - REG、TA = + 25°C时为1µA。

3.12 模式

MODE PFM阈值为1 - 1.44V，滞后为0.19V，MODE内部上拉电阻在VMODE未连接时为123kΩ，VMODE = GND时为1390kΩ。

3.13 热关断

热关断阈值温度上升时为160°C，滞后为20°C。

四、典型应用电路

文档中给出了多个典型应用电路，包括高效5V、50mA调节器，高效3.3V、50mA调节器，小尺寸5V、50mA调节器，小尺寸3.3V、50mA调节器，小尺寸1.8V、50mA调节器和小尺寸12V、50mA降压调节器等。这些电路根据不同的输出电压和应用场景，选择了不同的电感、电容和电阻值。例如，在高效5V、50mA调节器电路中，采用330µH的电感（COILCRAFT LPS5030 - 334M），输入电容CIN为1µF（MURATA 1μF/X7R/50V/0805），输出电容COUT为10µF（MURATA 10µF/X7R/6.3V/0805），开关频率为300kHz。

五、详细工作原理

5.1 模式选择（MODE）

MAX17531通过MODE引脚选择工作模式。MODE引脚未连接时，轻载下工作在PFM模式；MODE引脚接地时，所有负载下工作在固定频率的PWM模式。PWM模式适用于对频率敏感的应用，能提供固定的开关频率，但轻载效率低于PFM模式。PFM模式可禁用负电感电流，轻载时跳过脉冲以提高效率。

5.2 使能输入（EN/UVLO）和软启动（SS）

当EN/UVLO电压高于1.25V（典型值）时，设备启动软启动序列。软启动时间取决于SS引脚电压状态，SS引脚未连接时，使用5ms的内部软启动；SS引脚连接电容时，通过5μA电流源对电容充电来控制软启动时间。EN/UVLO还可用于调节输入欠压锁定（UVLO）电平，通过外部电阻分压器实现。

5.3 开关频率（RT/SYNC）

开关频率可通过连接在RT/SYNC引脚的电阻在100kHz至2.2MHz之间编程，计算公式为(R{T}=frac{42000}{f{SW}})。同时，RT/SYNC引脚可用于将设备内部振荡器与外部系统时钟同步，但仅在PWM模式下支持，且RT电阻应使开关频率比外部时钟频率低10%。

5.4 外部偏置（VOUT）

VOUT引脚为内部控制电路提供低电压电源。当VOUT引脚电压超过3.1V时，设备从该引脚获取开关和静态电流，提高转换器效率。输出电压在3.3V至5V时，VOUT应通过陶瓷电容解耦到GND，并通过电阻连接到输出电容正端；输出电压小于3.3V或大于5V时，VOUT应连接到GND。

5.5 复位输出（RESET）

RESET为开漏输出，用于监控输出电压。输出电压高于标称值的95%后2ms，RESET变为高阻态；输出电压低于标称值的92%时，RESET拉低。在打嗝超时期间，RESET也会拉低。

5.6 预偏置输出启动

MAX17531支持单调启动进入预偏置输出。启动时，高端和低端开关关闭，直到PWM比较器发出第一个PWM脉冲才开始切换，输出电压平滑上升到目标值。

5.7 过流保护和打嗝模式

当电感峰值电流连续16次超过0.11A（典型值）时，设备进入打嗝模式。在该模式下，先进行磁滞逐周期峰值电流限制，持续时间为软启动时间的两倍，然后关闭51ms的打嗝超时时间，直到输出短路或过载消除。

5.8 热过载保护

当结温超过 + 160°C时，片上热传感器关闭设备，关闭内部功率MOSFET，结温下降20°C后重新开启。

六、元件选择

6.1 电感选择

应选择直流电阻尽可能低的低损耗电感，电感值计算公式为(L=frac{18000 × V{OUT }}{f{SW}})，输出电感的峰 - 峰纹波电流计算公式为(Delta l=frac{1000 × V{OUT } timesleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)}{f{SW} × L})。电感的饱和电流额定值必须超过最大电流限制值（IPEAK - LIMIT），至少为0.123A。常见的电感铁芯材料有铁氧体和粉末铁，铁氧体铁芯损耗低，适用于高效设计；粉末铁铁芯损耗较大，但成本相对较低。

6.2 输入电容选择

推荐使用小型陶瓷输入电容，可减少从电源汲取的峰值电流，降低开关电路引起的输入噪声和电压纹波。建议使用最小1μF、X7R级、封装大于0805的电容，以将输入电压纹波控制在最小输入电压的2%以内，并满足最大纹波电流要求。

6.3 输出电容选择

推荐使用小型陶瓷X7R级输出电容，其作用是在负载瞬态条件下存储足够能量以支持输出电压，并稳定设备的内部控制环路。通常，输出电容应能支持应用中最大输出电流50%的阶跃负载，使输出电压偏差小于3%，最小所需输出电容计算公式为(C{OUT } (in mu F ) =25 / V{OUT })。需注意陶瓷电容的介电材料会因直流偏置电平导致电容值损失，应适当降额以确保获得所需的输出电容。

6.4 软启动电容选择

SS引脚未连接时，设备提供5.1ms的内部软启动。需要可调软启动时间时，在SS引脚连接电容，最小软启动时间与输出电容（COUT）和输出电压（VOUT）的关系为(t{SS}>0.05 × C{OUT})，软启动时间（tSS）与连接在SS的电容（CSS）的关系为(C{SS}=6.25 × t{SS})。

七、参数设置

7.1 设置输入欠压锁定电平

通过连接从IN到GND的电阻分压器来设置设备开启的电压，将分压器的中心节点连接到EN/UVLO。选择R1最大为3.3MΩ，R2计算公式为(R 2=frac{R 1 × 1.25}{left(V_{INU }-1.25right)})，其中VINU为设备需要开启的电压。若EN/UVLO引脚由外部信号源驱动，建议在信号源输出和EN/UVLO引脚之间放置最小1kΩ的串联电阻，以减少线路上的电压振铃。

7.2 调整输出电压

输出电压可在0.8V至0.9×VIN之间编程，通过连接从输出到FB再到GND的电阻分压器来设置。选择R2在25kΩ至100kΩ之间，R1计算公式为(R 1=R 2 timesleft[frac{V_{OUT }}{0.8}-1right])。

八、瞬态保护与功率耗散

8.1 瞬态保护

在预计会出现快速线路瞬变或振荡（压摆率超过15V/µs）的应用中，应使用串联电阻与输入陶瓷电容形成低通滤波器来保护MAX17531。这些瞬变可能在热插拔、电感负载切换或电源线上的浪涌等情况下出现。

8.2 功率耗散

特定工作条件下，设备的功率损耗计算公式为(P{LOSS }=left(P{OUT } timesleft(frac{1}{eta}-1right)right)-left(I{OUT }^{2} × R{D C R}right))，其中POUT = VOUT × IOUT，η为功率转换效率，RDCR为输出电感的直流电阻。设备的结温（TJ）可根据环境温度（TA）通过公式(T{J}=T{A}+left(theta{JA} × P{LOSS}right))估算，其中θJA为封装的结到环境热阻。结温超过 + 125°C会降低设备的使用寿命。

九、PCB布局指南

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。以下是一些布局指南：

• 输入电容：将输入陶瓷电容尽可能靠近VIN和GND引脚放置。
• 减少EMI：最小化LX引脚和电感连接形成的面积，以减少辐射EMI。
• 反馈连接：确保所有反馈连接短而直接。
• 高速节点：将高速开关节点（LX）远离信号引脚布线。

总之，MAX17531是一款性能出色的同步降压DC - DC转换器，具有多种优势和特性，适用于工业传感器、过程控制、高压LDO替代、电池供电设备、HVAC和建筑控制等多种应用场景。在设计过程中，合理选择元件、设置参数和进行PCB布局，能充分发挥其性能，为电子系统提供稳定可靠的电源。你在使用MAX17531的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。