MAX848/MAX849：高功率、低噪聲升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子設(shè)備的電源設(shè)計中，一款高效、穩(wěn)定且低噪聲的升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討MAXIM公司推出的MAX848/MAX849 1 - 3節(jié)電池供電的高功率、低噪聲升壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，看看它能為我們的設(shè)計帶來哪些優(yōu)勢。

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一、產(chǎn)品概述

MAX848/MAX849專為對噪聲敏感的電源應(yīng)用而設(shè)計，如便攜式電話和帶有RF數(shù)據(jù)鏈路的小型系統(tǒng)。其核心是一個同步升壓拓撲調(diào)節(jié)器，能從1 - 3節(jié)NiCd/NiMH電池或1節(jié)Li - Ion電池產(chǎn)生固定的3.3V輸出（也可通過外部電阻調(diào)節(jié)至2.7V - 5.5V）。同步整流技術(shù)相比類似的非同步升壓調(diào)節(jié)器，效率提高了5%。

在待機模式下，脈沖跳躍PFM操作僅消耗150μW的靜態(tài)功率，就能維持輸出電壓。固定頻率PWM操作將開關(guān)噪聲頻譜限制在300kHz基頻及其諧波范圍內(nèi)，便于后續(xù)濾波降噪。若需要更嚴格的噪聲頻譜控制，還可同步到200kHz - 400kHz的外部時鐘。

此外，該器件還具備電池監(jiān)測功能，通過一個雙通道電壓 - 頻率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）實現(xiàn)。同時，提供兩個控制輸入，可通過瞬間按鈕開關(guān)進行推 - 開、推 - 關(guān)控制，上電時，內(nèi)部比較器會監(jiān)測輸出電壓，產(chǎn)生電源良好輸出（POK）。

MAX848和MAX849的主要區(qū)別在于N溝道MOSFET功率開關(guān)的電流限制，MAX848為0.8A，MAX849為1.4A。

二、產(chǎn)品特性

1. 高效性能

最高效率可達95%，輸入范圍為0.7V - 5.5V，具備3.3V雙模式或2.7V - 5.5V可調(diào)輸出，待機模式功耗僅0.15mW。

2. 靈活的工作模式

支持300kHz PWM模式或可同步模式，還配備雙通道ADC和串行輸出，以及電源良好功能。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

該轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于數(shù)字無繩電話、蜂窩電話、掌上電腦、本地3.3V - 5V電源等領(lǐng)域。

四、電氣特性

1. 參考電壓

參考輸出電壓典型值為1.25V，負載調(diào)節(jié)和電源抑制性能良好。

2. DC - DC轉(zhuǎn)換器

輸出電壓在不同條件下有明確的范圍，輸出電流根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的不同而變化。例如，當(dāng)VIN = 1.2V，VOUT = 3.3V時，MAX848的輸出電流為110mA，MAX849為300mA。

3. 開關(guān)特性

POUT和LX的泄漏電流較小，N溝道開關(guān)的導(dǎo)通電阻在不同模式下有不同的值，N溝道電流限制也因型號而異。

4. ADC特性

數(shù)據(jù)輸出電壓低和高有明確的范圍，AIN1和AIN2的輸入電壓范圍分別為0.625V - 1.875V和0V - 2.5V，輸入電流較小，精度可達±4% FSR。

5. 電源良好特性

內(nèi)部和外部跳閘電平有明確規(guī)定，POK的低電壓和高泄漏電流也在規(guī)格范圍內(nèi)。

6. 邏輯和控制輸入

輸入低電壓和高電壓有相應(yīng)的范圍，邏輯輸入電流較小，內(nèi)部振蕩器頻率在260 - 340kHz之間，振蕩器最大占空比為80 - 90%，外部時鐘頻率范圍為200 - 400kHz。

五、典型工作特性

1. 效率與負載電流關(guān)系

不同輸入電壓和輸出電壓下，效率隨負載電流的變化曲線展示了其在不同工況下的性能。例如，在VOUT = 3.3V，VIN = 2.4V時，隨著負載電流的增加，效率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

2. 其他特性

還包括無負載電池電流與輸入電壓的關(guān)系、關(guān)機電流與輸入電壓的關(guān)系、啟動電壓與負載電流的關(guān)系、參考電壓與溫度和參考電流的關(guān)系、ADC線性誤差與滿量程輸入電壓的關(guān)系等。

六、引腳描述

MAX848/MAX849共有16個引腳，每個引腳都有其特定的功能：

• AIN1和AIN2：分別為ADC的通道1和通道2輸入，輸入電壓范圍不同。
• REF：參考輸出，需用0.22μF電容旁路到GND。
• GND：用于低電流接地路徑，需通過短走線連接到PGND。
• OUT：輸出感測輸入，IC由OUT供電，需用0.1μF陶瓷電容旁路到GND，并通過10Ω串聯(lián)電阻連接到POUT。
• POKIN：電源良好比較器輸入，可連接到GND以設(shè)置固定閾值，也可通過電阻分壓器調(diào)整閾值。
• FB：雙模式DC - DC轉(zhuǎn)換器反饋輸入，連接到GND可獲得固定3.3V輸出電壓，通過電阻分壓器可調(diào)整輸出電壓。
• POK：電源良好輸出，當(dāng)輸出電壓低于內(nèi)部設(shè)定閾值或POKIN電壓低于VREF時，該引腳被拉低。
• AINSEL：ADC輸入通道選擇器，拉低選擇AIN1，拉高選擇AIN2。
• DATA：ADC的串行輸出，脈沖輸出，RZ格式。
• CLK/SEL：外部時鐘輸入/調(diào)節(jié)器的開關(guān)模式選擇器，不同電平對應(yīng)不同工作模式。
• PGND：內(nèi)部N溝道功率MOSFET的源極，連接到高電流接地路徑。
• LX：內(nèi)部N溝道功率MOSFET和P溝道同步整流器的漏極。
• POUT：內(nèi)部P溝道同步整流器MOSFET的源極，需連接外部肖特基二極管從LX到POUT，并通過0.1μF陶瓷電容旁路到PGND。
• ON2：關(guān)斷控制輸入，當(dāng)ON1 = 0且ON2 = 1時，IC關(guān)閉。
• ON1：開啟控制輸入，當(dāng)ON1 = 1或ON2 = 0時，IC開啟。

七、詳細工作原理

1. 整體架構(gòu)

MAX848/MAX849將開關(guān)調(diào)節(jié)器、N溝道功率MOSFET、P溝道同步整流器、精密參考電壓、電源良好指示器和電池電壓監(jiān)測器集成在一個單芯片中，直接由輸出供電。

2. 啟動過程

上電時，內(nèi)部低壓振蕩器驅(qū)動N溝道功率開關(guān)，輸出電壓緩慢建立。振蕩器的標稱占空比為25%，以防止電感中的電流積累。當(dāng)輸出電壓超過標稱2.25V鎖定電壓時，誤差比較器和內(nèi)部定時電路被激活，設(shè)備根據(jù)CLK/SEL的邏輯控制，選擇脈沖頻率調(diào)制（PFM）低功率模式或脈沖寬度調(diào)制（PWM）低噪聲模式繼續(xù)工作。

3. 開關(guān)控制

4. 工作模式

• 低功率PFM模式：當(dāng)CLK/SEL拉低時，設(shè)備工作在低功率、低供電電流的PFM模式。脈沖頻率調(diào)制在輕負載時提供最高效率，P溝道整流器關(guān)閉以減少柵極電荷損失，調(diào)節(jié)器工作在不連續(xù)模式。N溝道功率MOSFET保持導(dǎo)通，直到電感電流上升到電流限制的30%，開關(guān)關(guān)閉時，電感能量傳遞到輸出電容，直到電感電流過零才開始新的周期。
• 低噪聲PWM模式：當(dāng)CLK/SEL拉高時，設(shè)備工作在高功率、低噪聲的電流模式PWM，以300kHz的標稱內(nèi)部振蕩器頻率開關(guān)。內(nèi)部整流器在該模式下工作，調(diào)節(jié)器工作在連續(xù)模式。N溝道功率MOSFET導(dǎo)通，直到輸出電壓達到調(diào)節(jié)值或電感電流達到限制值（MAX848為0.8A，MAX849為1.4A），開關(guān)在周期的剩余時間內(nèi)關(guān)閉，電感能量傳遞到輸出電容，下一個振蕩器周期開始新的周期。
• 同步PWM模式：當(dāng)200kHz < fCLK < 400kHz的時鐘信號應(yīng)用于CLK/SEL時，設(shè)備進入同步電流模式PWM，內(nèi)部同步整流器工作，開關(guān)頻率同步到外部時鐘信號。

5. 輸出電壓設(shè)置

MAX848/MAX849具有雙模式操作，輸出電壓預(yù)設(shè)為3.3V（FB = 0V），也可通過外部電阻R1、R2和R3調(diào)節(jié)到2.7V - 5.5V，計算公式如下： [R2 = R3(VOUT / V TRIP - 1)] [R1 =(R 3+R 2)(VTRIP / VREF - 1)] 其中，VREF = 1.25V，VOUT是期望的輸出電壓，VTRIP是電源良好比較器的期望跳閘電平。

6. 電源良好功能

MAX848/MAX849具有電源良好比較器，當(dāng)輸出電壓低于標稱內(nèi)部閾值3V（POKIN = 0V）時，其開漏輸出POK被拉低?？赏ㄟ^外部設(shè)置輸出電壓的方法來設(shè)置電源良好跳閘電平。

7. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

內(nèi)部的雙通道串行ADC將模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字流，通過DATA引腳輸出。轉(zhuǎn)換器根據(jù)輸入電壓按比例跳過時鐘脈沖，輸出格式為歸零位流，位持續(xù)時間為1/fCLK。在PFM模式下，轉(zhuǎn)換器不工作，DATA引腳被拉低。AIN1的輸入電壓范圍為0.625V - 1.875V，AIN2的輸入電壓范圍為0V - 2.5V，可通過AINSEL引腳選擇通道。由于ADC是開關(guān)電容類型，在噪聲環(huán)境中可能需要在輸入處插入1kΩ串聯(lián)電阻和0.01μF濾波電容。

8. 定時器功能實現(xiàn)

可通過離散硬件或微控制器（μC）實現(xiàn)必要的計數(shù)器功能。輸出分辨率取決于計數(shù)的ADC時鐘脈沖數(shù)量。

• 硬件實現(xiàn)：使用兩個計數(shù)器或ASIC實現(xiàn)，其優(yōu)點是精度不受μC解決方案的中斷延遲影響。
• 全μC實現(xiàn)：使用μC定時器和計數(shù)器，定時器和計數(shù)器同時復(fù)位，計數(shù)器對輸入的數(shù)據(jù)輸出脈沖進行計數(shù)。當(dāng)定時器超時，產(chǎn)生中斷，μC讀取計數(shù)器寄存器的狀態(tài)。該實現(xiàn)的優(yōu)點是無需外部硬件，但中斷延遲會降低精度。

八、設(shè)計步驟

1. 電感選擇

MAX848/MAX849的高開關(guān)頻率允許使用小電感，建議MAX849使用10μH電感，MAX848使用22μH電感。推薦使用鐵氧體磁芯或等效電感，不建議使用粉末鐵芯用于高開關(guān)頻率。電感的飽和額定值應(yīng)超過內(nèi)部電流限制（MAX848為0.8A，MAX849為1.4A），但一般可將電感偏置到飽和約20%。為獲得最高效率，應(yīng)使用直流電阻低（最好低于100mΩ）的線圈，并使用環(huán)形、罐形或屏蔽電感以減少輻射噪聲。

2. 二極管選擇

高開關(guān)頻率要求使用高速整流器，推薦使用肖特基二極管，如1N5817或MBR0520L。確保二極管的電流額定值超過最大負載電流，擊穿電壓超過VOUT。在PFM模式下，肖特基整流二極管承載負載電流，效率會因二極管壓降而損失；在PWM模式下，內(nèi)部P溝道同步整流器工作，二極管效率損失最小。對于高溫應(yīng)用，肖特基二極管可能因高泄漏電流而不適用，可使用高速硅二極管，如MUR105或EC11FS1。

3. 電容選擇

• 輸入旁路電容：使用22μF、低ESR的輸入電容可減少電感電流紋波引起的峰值電流和反射噪聲。對于輕負載或能容忍較高輸入紋波的應(yīng)用，也可使用較小的陶瓷電容。
• 輸出濾波電容：兩個100μF（MAX848為單個100μF）、10V、低ESR的輸出濾波電容在從1.2V升壓到3.3V、200mA（MAX848為100mA）時，通常會產(chǎn)生30mV的紋波。需用0.1μF陶瓷電容將MAX848/MAX849的電源輸入OUT旁路到GND，同時將POUT旁路到PGND。濾波電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）會影響效率和輸出紋波，建議使用低ESR的表面貼裝鉭電容或Sanyo OS - CON有機半導(dǎo)體通孔電容。

九、應(yīng)用信息

1. 瞬間開關(guān)控制

可使用瞬間按鈕開關(guān)控制MAX848/MAX849的開關(guān)。當(dāng)器件關(guān)閉時，ON1拉低，ON2拉高；按下開關(guān)時，ON2拉低，調(diào)節(jié)器開啟，開關(guān)保持時間應(yīng)足夠讓μC退出復(fù)位，控制器向ON1發(fā)出邏輯高電平，確保器件保持開啟狀態(tài)。關(guān)閉調(diào)節(jié)器時，按下并保持開關(guān)，控制器讀取開關(guān)狀態(tài)并拉低ON1，釋放開關(guān)后ON2拉高。

2. 功率放大器和無線電供電

MAX849是數(shù)字無繩電話和PCS電話中功率放大器（PA）和無線電的理想電源。PA直接由MAX849供電以獲得最大輸出擺幅，后級線性調(diào)節(jié)器為控制器和無線電供電，同時減少開關(guān)噪聲和紋波。

3. 上電復(fù)位延遲

在POK和GND之間添加定時電容可產(chǎn)生上電復(fù)位延遲，復(fù)位時間常數(shù)由上拉電阻和定時電容決定。上電時，POK為低電平，電容短路；輸出電壓達到調(diào)節(jié)值時，POK變高，電容緩慢充電到輸出電壓。

4. μC控制關(guān)機

當(dāng)ON1 = 1或ON2 = 0時，MAX848/MAX849開啟；μC監(jiān)測電池電壓，當(dāng)電池電量低時，拉低ON1并拉高ON2，關(guān)閉器件。

十、布局考慮

由于電感電流水平高和快速開關(guān)波形會輻射噪聲，因此正確的PCB布局至關(guān)重要。應(yīng)使用星形接地配置保護敏感的模擬接地，將PGND、輸入旁路電容接地引線和輸出濾波電容接地引線連接到同一點（星形接地配置）以減少接地噪聲，同時盡量縮短引線長度以減少雜散電容和走線電阻。如果使用外部電阻分壓器設(shè)置輸出電壓，從FB到電阻的走線必須極短，并屏蔽來自CLK、DATA或LX等開關(guān)信號的干擾。

總之，MAX848/MAX849以其高效、低噪聲、高集成度等特點，為電子工程師在設(shè)計電源電路時提供了一個優(yōu)秀的選擇。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求，合理選擇電感、二極管、電容等元件，并注意PCB布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。