MAX17550：高效同步降压DC - DC转换器的设计与应用

引言

在电子设备的电源管理领域，高效、小体积且能适应宽输入电压范围的DC - DC转换器是工程师们的理想之选。MAX17550就是这样一款出色的产品，它以其独特的性能和丰富的功能，为工业传感器、电池供电设备等众多应用场景提供了优质的电源解决方案。本文将深入探讨MAX17550的特性、工作原理、引脚配置以及应用设计要点。

文件下载：MAX17550AUBEVKIT#.pdf

一、产品概述

MAX17550是一款集成了MOSFET的高效、高压同步降压DC - DC转换器，其输入电压范围为4V至60V，能够提供高达25mA的输出电流，输出电压可在0.8V至0.9 x VIN之间调节。在 - 40°C至 + 125°C的温度范围内，反馈电压的精度控制在±1.75%以内。该转换器采用峰值电流模式控制，可工作于脉冲宽度调制（PWM）或脉冲频率调制（PFM）模式。此外，它还提供了10引脚（3mm x 2mm）TDFN和10引脚（3mm x 3mm）μMAX®两种封装形式，并且有仿真模型可供使用。

二、产品优势

（一）减少外部组件和总成本

1. 同步整流设计：采用同步整流技术，无需肖特基二极管，减少了外部组件数量，降低了成本。
2. 内部补偿：对于任何输出电压，都能实现内部补偿，简化了电路设计。
3. 内置软启动：内置软启动功能，避免了启动时的电流冲击，保护了电路元件。
4. 全陶瓷电容和紧凑布局：支持全陶瓷电容，使得布局更加紧凑，节省了电路板空间。

（二）减少库存需求

1. 宽输入电压范围：4V至60V的宽输入电压范围，能够适应多种电源环境，减少了对不同DC - DC调节器的库存需求。
2. 可调输出电压：输出电压可在0.8V至0.9 x VIN之间调节，满足了不同应用的需求。
3. 可调开关频率：开关频率可在100kHz至2.2MHz之间调节，并且支持外部同步，提高了设计的灵活性。

（三）降低功耗

1. 低静态电流：无负载时的静态电流仅为22µA，有效降低了功耗。
2. 高效率：峰值效率超过90%，在轻负载时，PFM模式可进一步提高效率。
3. 低关断电流：关断电流仅为1.2µA，在不工作时可大大降低功耗。

（四）恶劣环境下可靠运行

1. 过流保护：具备峰值电流限制保护功能，能够有效保护电感和内部FET。
2. 输出电压监控复位：内置输出电压监控复位功能，当输出电压异常时，可及时发出复位信号。
3. 可编程使能/欠压锁定阈值：使能/欠压锁定阈值可编程，方便根据实际应用进行调整。
4. 预偏置负载单调启动：支持预偏置负载的单调启动，避免了启动时的电流倒灌。
5. 过温保护：具备过温保护功能，当结温超过160°C时，自动关闭设备，待温度下降20°C后再重新启动。
6. 宽工作温度范围：工业级的工作温度范围为 - 40°C至 + 125°C，结温范围为 - 40°C至 + 150°C，能够适应恶劣的环境条件。

三、电气特性

（一）输入电源

输入电压范围为4V至60V，输入关断电流在V_EN/UVLO = 0V、TA = + 25°C时为0.67 - 2.25µA，输入电源电流在PFM模式下典型值为18µA，PWM模式下典型值为485µA。

（二）外部偏置

V_OUT开关阈值为2.96 - 3.12V。

（三）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，真正关断阈值为0.7V，泄漏电流在V_EN/UVLO = 1.3V、TA = + 25°C时为 - 100 - + 100nA。

（四）功率MOSFET

高端pMOS导通电阻典型值为5.9Ω，低端nMOS导通电阻典型值为3.0Ω，LX泄漏电流在V_EN = 0V、TA = + 25°C、V_LX = (V_GND + 1V)至(V_IN - 1V)时为 - 1 - + 1µA。

（五）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V_SS = 0.4V时为4.7 - 5.3µA。

（六）反馈

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

（七）电流限制

峰值电流限制阈值为66 - 78mA，负电流限制阈值在MODE = GND时为24 - 40mA，MODE未连接时为0.01mA，PFM电流水平在MODE未连接时为17 - 29mA。

（八）开关频率

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。外部同步时，同步输入频率为1.1 x fSW，最大为2200kHz，同步脉冲最小关断时间为40ns。

（九）定时

最小导通时间在fSW ≤ 600kHz、VFB = 0.98 x VFB - REG时为46 - 128ns，最大占空比在fSW ≤ 600kHz时为90 - 98%，fSW > 600kHz时为87 - 92%，打嗝超时时间为51ms。

（十）复位

FB上升时的复位阈值为93 - 97%，下降时为90 - 94%，FB达到95%调节后复位延迟为2.1ms，复位输出低电平在IRESET = 1mA时为0.23V，复位输出泄漏电流在VFB = 1.01 x VFB - REG、TA = + 25°C时为1µA。

（十一）模式

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

（十二）热关断

热关断阈值为160°C，热关断滞后为20°C。

四、引脚配置与功能

（一）IN

开关调节器输入引脚，需连接一个X7R 1µF陶瓷电容至GND进行旁路。

（二）EN/UVLO

高电平有效，使能/欠压检测输入引脚。将其拉至GND可禁用调节器输出，连接至IN可实现始终开启操作。通过连接电阻分压器可对设备启用和开启的输入电压进行编程。

（三）RT/SYNC

振荡器定时电阻输入引脚。连接一个电阻至GND可对开关频率进行编程，范围为100kHz至2.2MHz。也可通过耦合电容施加外部脉冲，将内部时钟同步到外部脉冲频率。

（四）SS

软启动电容输入引脚。连接一个电容至GND可设置软启动时间，若不连接则采用默认的5.1ms内部软启动。

（五）FB

输出反馈连接引脚。连接至VOUT和GND之间的电阻分压器可设置输出电压。

（六）VOUT

内部控制电路的外部偏置输入引脚。对于输出电压在3.3V至5V的应用，需用0.22μF电容去耦至GND，并通过22.1Ω电阻连接至输出电容正端；对于输出电压小于3.3V或大于5V的应用，应连接至GND。

（七）RESET

开漏复位输出引脚。需用外部电阻上拉至所需的外部电源。当FB电压低于其设定值的92%时，RESET拉低；FB电压高于其设定值的95%后2ms，RESET变为高阻态。

（八）MODE

PFM/PWM模式选择输入引脚。连接至GND可启用固定频率PWM操作，不连接则用于轻负载PFM操作。

（九）GND

接地引脚，需连接至电源接地平面，并将所有电路接地连接在一点。

（十）LX

电感连接引脚，连接至电感的开关侧。设备关断时，LX为高阻态。

（十一）EP（仅TDFN封装）

外露焊盘，连接至IC的GND引脚。

五、工作原理

MAX17550采用内部补偿的峰值电流模式控制架构。在内部时钟的上升沿，高端pMOSFET导通。内部误差放大器将反馈电压与固定的内部参考电压进行比较，生成误差电压。PWM比较器将误差电压与电流检测电压和斜率补偿电压之和进行比较，以设置“导通时间”。在pMOSFET导通期间，电感电流上升；在开关周期的其余时间（关断时间），pMOSFET关断，低端nMOSFET导通，电感释放存储的能量，电感电流下降，为输出提供电流。在过载条件下，逐周期电流限制功能通过关断高端pMOSFET和导通低端nMOSFET来限制电感峰值电流。

六、模式选择

（一）PWM模式

当MODE引脚接地时，设备工作在恒定频率的强制PWM模式。在该模式下，电感电流允许为负，适用于对频率敏感的应用，可在所有负载下提供固定的开关频率。但在轻负载时，PWM模式的效率低于PFM模式。

（二）PFM模式

当MODE引脚不连接时，设备在轻负载时工作在PFM模式。该模式禁用负电感电流，并在轻负载时跳过脉冲以提高效率。在PFM模式下，电感电流在每个时钟周期被强制达到固定峰值23mA（典型值），直到输出电压上升到标称电压的102%（典型值）。当输出电压达到该值时，高端和低端FET均关断，设备进入休眠状态，直到负载将输出电压放电至标称电压的101%（典型值）。在休眠状态下，大部分内部模块关闭以节省静态电流。当负载电流增加到大约[IPFM - (Delta I / 2)]时，设备自然退出PFM模式；当负载电流降低到大约(Delta I / 2)时，再次进入PFM模式。

七、应用设计要点

（一）电感选择

应选择具有尽可能低直流电阻且适合指定尺寸的低损耗电感。电感值可通过公式[L=frac{37000 × V{OUT }}{f{SW}}]计算，输出电感的峰 - 峰纹波电流可通过公式[Delta I=frac{1000 × V{OUT } timesleft(1-frac{V{OUT }}{V{IN }}right)}{f{SW } × L}]计算。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0.078A。常见的铁芯材料有铁氧体和粉末铁，铁氧体铁芯具有低铁芯损耗，适用于高效率设计；粉末铁铁芯铁芯损耗较大，但相对成本较低。

（二）输入电容选择

建议使用小型陶瓷输入电容，其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。为使输入电压纹波保持在最小输入电压的2%以内，并满足最大纹波电流要求，建议使用封装大于0805的最小1μF、X7R级电容作为输入电容。

（三）输出电容选择

建议使用小型陶瓷X7R级输出电容，其具有存储足够能量以支持负载瞬态条件下的输出电压和稳定设备内部控制环路的作用。通常，输出电容的大小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%。可根据不同的频率范围，通过以下公式计算最小所需输出电容：	Frequency Range	Minimum Output Capacitance
(kHz)	(μF)
100 to 130	25/V OUT
160 to 230	25/V OUT
280 to 2200	15/V OUT

需要注意的是，陶瓷电容的介电材料会因直流偏置电平而出现电容损耗，应适当降额以确保在应用中获得所需的输出电容。

（四）软启动电容选择

当SS引脚不连接时，MAX17550提供5.1ms的内部软启动。若需要可调软启动时间，可连接一个电容从SS到GND进行编程。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} × V{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}]。

（五）设置输入欠压锁定电平

设备提供可调的输入欠压锁定电平，可通过连接从IN到GND的电阻分压器来设置设备开启的电压。选择R1最大为3.3MΩ，然后通过公式[R 2=frac{R 1 × 1.25}{left(V_{INU }-1.25right)}]计算R2，其中VINU为设备所需开启的电压。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。

（六）调整输出电压

通过连接在FB引脚和VOUT、GND之间的电阻分压器来调整输出电压，具体的电阻值可根据所需的输出电压进行计算。

八、总结

MAX17550以其高效、小体积、宽输入电压范围和丰富的功能，为电子工程师在电源管理设计中提供了一个优秀的选择。通过合理选择外部组件和正确配置引脚功能，能够充分发挥其性能优势，满足各种应用场景的需求。在实际设计过程中，工程师们还需要根据具体的应用要求，对各项参数进行仔细的计算和调试，以确保电路的稳定性和可靠性。你在使用MAX17550进行设计时，是否遇到过一些挑战呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。