深入剖析MAX1771：高效低功耗的升压DC - DC控制器

在电子设备的电源管理领域，升压DC - DC控制器扮演着关键角色，为各种电子设备提供稳定、高效的电源转换。今天，我们将深入探讨Maxim Integrated推出的MAX1771升压DC - DC控制器，详细介绍其特性、工作原理、设计要点及应用电路。

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一、MAX1771概述

MAX1771是一款BiCMOS升压开关模式电源控制器，具有预设12V输出和可调节输出两种模式。它采用独特的电流限制脉冲频率调制（PFM）控制方案，结合了脉冲频率调制（低电源电流）和脉冲宽度调制（重载时高效率）的优点，在宽输出电流范围内实现了高效率，并且相较于以往的PFM设备，提高了输出电流能力。

主要特性

1. 高效率：在30mA至2A的负载电流下，效率可达90%，最大输出功率高达24W。
2. 低功耗：正常工作时电源电流最大为110µA，关断电流最大为5µA。
3. 宽输入电压范围：输入电压范围为2V至16.5V，输出电压可预设为12V，也可通过两个电阻进行调节。
4. 高开关频率：最高开关频率可达300kHz，允许使用高度为5mm、直径为9mm的表面贴装磁性元件。
5. 评估套件：提供评估套件，方便工程师进行测试和验证。

二、工作模式

自举模式（Bootstrapped Mode）

在自举模式下，IC由输出（VOUT）供电，输入电压范围为2V至VOUT。外部功率晶体管的栅极电压在VOUT和地之间切换，提供更大的开关栅极驱动，从而降低晶体管的导通电阻。当输入电压低于5V时，推荐使用自举模式。

非自举模式（Non - Bootstrapped Mode）

在非自举模式下，IC由输入电压（V +）供电，以最小的电源电流运行。此时，FB为输出电压感测点。由于外部功率晶体管栅极的电压摆幅减小，在低输入电压下，功率晶体管的导通电阻会增加。但由于V +电压较低，且对外部MOSFET栅极电容充电和放电时消耗的能量较少，电源电流也会相应降低。需要注意的是，在非自举模式下没有预设输出操作，必须使用外部电阻来设置输出电压。

三、PFM控制方案

MAX1771采用专有的电流限制PFM控制方案，在宽负载电流范围内提供高效率。与传统的PFM转换器不同，它使用检测电阻来控制电感峰值电流，并且工作在高开关频率（最高300kHz），允许使用小型外部元件。

在这种控制方案中，功率晶体管只有在电压比较器检测到输出电压超出调节范围时才会导通。开关使用峰值电流限制和一对单稳态触发器来设置最大导通时间（16µs）和最小关断时间（2.3µs），没有振荡器。一旦关断，最小关断时间单稳态触发器会使开关保持关断2.3µs，之后根据输出电压是否超出调节范围决定开关是否再次导通。

四、设计要点

1. 设置输出电压

首先要确定工作模式（自举或非自举）。自举模式提供更大的输出电流能力，非自举模式则降低电源电流。对于可调节输出操作，选择反馈电阻R1在10kΩ至500kΩ范围内，R2可通过公式 (R 2=(R 1)left(frac{VOUT }{V_{REF }}-1right)) 计算，其中VREF等于1.5V。对于预设输出操作，将FB接地。

2. 确定检测电阻RSENSE

使用图4a - 4d所示的理论输出电流曲线来选择RSENSE，这些曲线是在扩展温度范围（-40°C至+85°C）内使用最小（最坏情况）电流限制比较器阈值推导得出的。

3. 确定电感（L）

实际电感值范围为10µH至300µH，对于大多数应用，22µH是一个不错的选择。电感值过小时，IC可能会一直工作在不连续模式，导致输出电流能力下降；电感值过大则会略微增加启动时间。选择电感时应满足 (L geq frac{V{I N}(max ) × 2 mu s}{I{LIM}}) 。

4. 功率晶体管选择

使用N沟道MOSFET功率晶体管，当输入驱动电压低于8V时，建议使用逻辑电平或低阈值N - FET，以确保外部N - FET能够完全导通。选择时要考虑总栅极电荷（Qg）、导通电阻（rDS(ON)）和反向传输电容（CRSS）等参数，典型总栅极电荷应在50nC或以下。

5. 二极管选择

由于MAX1771的高开关频率，需要使用高速整流器，推荐使用肖特基二极管，如1N5817 - 1N5822。确保肖特基二极管的平均电流额定值超过RSENSE设置的峰值电流限制，并且其击穿电压超过VOUT。对于高温应用，由于肖特基二极管的高漏电流，可使用高速硅二极管，如MUR105或EC11FS1。

6. 电容选择

• 输出滤波电容（C4）：主要标准是低等效串联电阻（ESR），以减少输出电压的纹波。
• 输入旁路电容（C1）：减少从电压源汲取的峰值电流，降低MAX1771开关动作在电压源处产生的噪声。
• 参考电容（C3）：使用0.1µF电容旁路REF，REF可为外部负载提供高达100µA的电流。
• 前馈电容：在可调节输出电压和非自举模式下，在R2两端并联一个47pF至220pF的电容，选择能确保稳定性的最小电容值，高电容值可能会降低线性调整率。

五、应用电路

1. 低输入电压操作

当使用随时间衰减的电源（如电池）时，在非自举模式下，当EXT处的电压接近FET的阈值电压时，N - FET晶体管会在其线性区域工作，消耗过多功率，可能损坏FET。为避免这种情况，应确保VEXT高于FET的VTH，或使用电压检测器（如MAX8211）在输入电源电压低于预定最小值时将IC置于关断模式。

2. 带载启动

MAX1771在自举模式下低输入电压时不适合满载启动，启动电压与负载电流的关系可参考典型工作特性图。

3. 其他应用电路

• 4节电池到5V（或3节电池到3.3V），500mA升降压转换器：该电路可从输入电压高于或低于输出电压的电源中高效地产生5V（或3.3V）、500mA的输出。
• 12V输出降压/升压电路：从4.5V至16V的输入产生12V输出，效率在中等负载时为85%，满载时约为82%。
• 无变压器 - 48V到+5V，300mA电路：使用无变压器设计，从 - 30V至 - 75V的输入电源提供5V、300mA的输出，转换效率通常为82%。
• 电池供电的LCD偏置电源：将两节电池（最小2V）升压至24V，用于LCD偏置或其他正输出应用。
• 5V、1A升压转换器：将2.7V至5.5V的输入升压至稳定的5V、1A输出，适用于逻辑、RF功率或PCMCIA应用。

六、布局注意事项

由于高电流水平和快速开关波形会辐射噪声，因此正确的PCB布局至关重要。采用星形接地配置保护敏感的模拟地，将GND、输入旁路电容接地引线和输出滤波电容接地引线连接到一个单点，以最小化接地噪声。同时，尽量减小引线长度，以减少杂散电容、走线电阻和辐射噪声。在V +和GND引脚之间直接放置一个4.7µF的电容（与0.1µF的C2旁路电容并联），可降低V +输入处的噪声。

MAX1771以其高效、低功耗和灵活的输出调节能力，为电子工程师在电源设计中提供了一个优秀的选择。通过合理的设计和布局，能够充分发挥其性能优势，满足各种应用的需求。各位工程师在实际应用中，不妨根据具体情况对电路进行优化和调整，以达到最佳的效果。你在使用类似的升压DC - DC控制器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。