MAX17687：高效隔離式降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計指南

在電子工程師的日常工作中，電源設(shè)計是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天我們要深入探討的是Maxim Integrated推出的一款高性能產(chǎn)品——MAX17687，這是一款4.5V至60V輸入、超小型、高效的隔離式降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，它在眾多應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的性能。

文件下載：MAX17687.pdf

產(chǎn)品概述

RAINIER系列隔離式DC - DC產(chǎn)品以其小體積、高效率和低BOM成本的優(yōu)勢脫穎而出。MAX17687作為其中一員，能夠提供高達10W的隔離電源。它的輸入電壓范圍寬達4.5V至60V，采用原邊反饋來調(diào)節(jié)輸出電壓，能輸出高達3.2A的原邊峰值電流，并且將原邊輸出電壓調(diào)節(jié)在 ±1.2%以內(nèi)。其工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C，采用緊湊的20引腳（4mm x 4mm）TQFN封裝，還提供仿真模型，方便工程師進行設(shè)計和驗證。

應(yīng)用領(lǐng)域

MAX17687的應(yīng)用范圍非常廣泛，涵蓋了工業(yè)過程控制、智能電表中的通信樞紐、醫(yī)療設(shè)備中的隔離電源以及浮動電源生成等領(lǐng)域。這些應(yīng)用場景對電源的穩(wěn)定性、效率和隔離性能都有較高的要求，而MAX17687正好能夠滿足這些需求。

產(chǎn)品特性

1. 減少外部組件與成本

• 同步原邊操作：實現(xiàn)了高效率和低成本，通過同步整流技術(shù)，減少了能量損耗，提高了電源轉(zhuǎn)換效率。
• 全陶瓷電容與超緊湊布局：使用全陶瓷電容不僅提高了電路的穩(wěn)定性，還使得布局更加緊湊，節(jié)省了電路板空間。
• 寬輸入電壓范圍：4.5V至60V的輸入電壓范圍，使得該轉(zhuǎn)換器能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境，增強了其通用性。
• 高電流輸出：能夠輸出高達3.2A的峰值電流，滿足了許多負載對大電流的需求。
• 可調(diào)節(jié)頻率：支持100kHz至500kHz的可調(diào)頻率，并具備外部同步功能，方便工程師根據(jù)具體應(yīng)用需求進行調(diào)整。
• 緊湊封裝：20引腳、4mm x 4mm的TQFN封裝，適合對空間要求較高的應(yīng)用場景。

2. 降低功耗

• 高效率：峰值效率超過90%，意味著在電源轉(zhuǎn)換過程中能夠減少能量損耗，提高能源利用率。
• 低關(guān)機電流：關(guān)機電流僅為2.8μA（典型值），在設(shè)備不工作時能夠顯著降低功耗，延長電池續(xù)航時間。

3. 惡劣工業(yè)環(huán)境下的可靠運行

• 多種保護機制：具備打嗝模式電流限制、灌電流限制和自動重試啟動功能，能夠在出現(xiàn)過流等異常情況時自動保護設(shè)備，提高了系統(tǒng)的可靠性。
• 可編程EN/UVLO閾值：用戶可以根據(jù)實際需求設(shè)置使能/欠壓鎖定閾值，靈活控制設(shè)備的啟動和關(guān)閉。
• 可調(diào)軟啟動：通過可編程軟啟動功能，能夠減少輸入浪涌電流，保護電源和負載設(shè)備。
• 寬溫度范圍：工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C，結(jié)溫范圍為 -40°C至 +150°C，能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。

電氣特性

MAX17687的電氣特性非常豐富，包括輸入電源、使能/欠壓鎖定、LDO、功率MOSFET、軟啟動、反饋、電流限制、RT和同步、復(fù)位以及熱關(guān)斷等方面。例如，輸入電壓范圍為4.5V至60V，輸入靜態(tài)電流在關(guān)機模式下為2.8μA（典型值），LDO輸出電壓范圍為4.75V至5.25V等。這些電氣特性為工程師在設(shè)計電路時提供了詳細的參數(shù)依據(jù)。

引腳配置與功能

MAX17687的引腳配置清晰明確，每個引腳都有其特定的功能。例如，VIN引腳用于電源輸入，EN/UVLO引腳用于使能/欠壓鎖定輸入，RESET引腳用于提供延遲的電源良好信號，SYNC引腳用于外部頻率同步等。了解這些引腳的功能對于正確使用該轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。

詳細設(shè)計指南

1. 線性穩(wěn)壓器（VCC）

內(nèi)部線性穩(wěn)壓器（VCC）為內(nèi)部模塊和低側(cè)MOSFET驅(qū)動器提供5V的標(biāo)稱電源。輸出應(yīng)使用2.2μF陶瓷電容旁路到地，當(dāng)VCC低于3.8V（典型值）時，欠壓鎖定電路會禁用內(nèi)部線性穩(wěn)壓器。該線性穩(wěn)壓器能夠提供高達20mA的電流。

2. 設(shè)置開關(guān)頻率（RT）

通過在RT引腳和SGND之間連接一個電阻，可以將開關(guān)頻率從100kHz編程到500kHz。開關(guān)頻率（fSW）與連接在RT引腳的電阻（RRT）之間的關(guān)系為：(f{SW} approx frac{21 times 10^{3}}{R{RT}})（其中RRT單位為kΩ，fSW單位為kHz）。若RRT引腳懸空，則設(shè)備以默認的250kHz開關(guān)頻率運行。

3. 外部頻率同步（SYNC）

內(nèi)部振蕩器可以通過SYNC引腳與外部時鐘信號同步。外部同步時鐘頻率必須在1.1 x fSW至1.4 x fSW之間，且最小外部時鐘脈沖寬度高應(yīng)大于50ns。

4. 使能輸入（EN/UVLO）和軟啟動（SS）

當(dāng)EN/UVLO電壓高于1.215V（典型值）時，設(shè)備啟動軟啟動序列，軟啟動持續(xù)時間取決于連接在SS引腳和地之間的電容值。5μA電流源對電容充電，使SS引腳電壓上升，作為內(nèi)部誤差放大器的參考，從而使輸出電壓從零單調(diào)增加到最終設(shè)定值。EN/UVLO還可用于調(diào)整輸入欠壓鎖定電平。

5. 過流保護/打嗝模式

當(dāng)出現(xiàn)失控電流限制、軟啟動完成后反饋電壓降至0.58V（典型值）、EN/UVLO < 1.09V且VCC > 3.8V或連續(xù)16次負電流限制事件發(fā)生時，MAX17687進入打嗝模式。在打嗝模式下，轉(zhuǎn)換器進入32,768個時鐘周期的打嗝超時周期，期間高側(cè)開關(guān)關(guān)閉，低側(cè)開關(guān)以最大98%的占空比開啟，直到負電流限制達到0.6A。超時周期結(jié)束后，嘗試再次軟啟動。

6. 復(fù)位輸出

RESET比較器用于監(jiān)測原邊輸出電壓，開漏RESET輸出需要外部上拉電阻。當(dāng)原邊輸出電壓低于標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的92.5%時，RESET輸出低電平；當(dāng)原邊輸出電壓高于標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的95.5%后1024個開關(guān)周期，RESET輸出高電平。在熱關(guān)斷時，RESET也會輸出低電平。

7. 熱關(guān)斷保護

當(dāng)器件結(jié)溫超過 +165°C時，片上熱傳感器會關(guān)閉設(shè)備，待結(jié)溫下降10°C后再開啟。熱關(guān)斷時軟啟動會復(fù)位，因此在設(shè)計時需要仔細評估總功耗，避免正常運行時觸發(fā)熱關(guān)斷。

應(yīng)用設(shè)計要點

1. 變壓器參數(shù)選擇

• 原邊輸出電壓選擇：原邊輸出電壓由MAX17687控制環(huán)路調(diào)節(jié)，可通過公式 (V{PRI}=D{MAX} × V_{IN_MIN }) 計算，其中DMAX為轉(zhuǎn)換器的最大占空比，VIN_MIN為最小輸入電壓，理想的最大占空比范圍為0.4至0.6。
• 調(diào)節(jié)原邊輸出電壓：通過連接從原邊輸出到FB再到地的電阻分壓器來設(shè)置原邊輸出電壓。選擇R2在10kΩ至100kΩ范圍內(nèi)，使用公式 (R 1=R 2 timesleft(frac{V_{PRI}}{0.9}-1right)) 計算R1。
• 匝數(shù)比選擇：忽略寄生電阻，隔離式降壓輸出電壓VOUT與原邊輸出電壓VPRI成正比，可通過公式 (frac{N{SEC}}{N{PRI}}=frac{V{OUT}+V{D}}{V_{PRI}}) 選擇匝數(shù)比（K），其中VD為二極管正向壓降。
• 原邊電感選擇：原邊電感值決定了變壓器中的紋波電流，可通過公式 (L{PRI}=frac{V{PRI}}{f{SW}}) 計算所需的原邊電感，使用公式 (Delta I=frac{V{P R I} timesleft(1-frac{V{P R I}}{V{I N}}right)}{f{S W} × L{P R I}}) 計算原邊紋波電流。
• 繞組峰值和RMS電流：根據(jù)不同的公式計算原邊和副邊繞組的峰值和RMS電流，以確保變壓器能夠滿足負載需求。
• 漏感：變壓器漏感（L_LEAK）對輸出電壓調(diào)節(jié)起著關(guān)鍵作用，為了獲得更好的輸出電壓調(diào)節(jié)效果，應(yīng)將漏感降低到原邊電感值的1%以下。
• 原邊負峰值電流：當(dāng)?shù)蛡?cè)開關(guān)導(dǎo)通時，原邊電流可能為負，可通過公式 (I_NEGPK_PRI =(-IOUT x K x(1+D) /(1-D))-Delta I / 2) 計算原邊負峰值電流。

2. 電容選擇

• 原邊輸出電容選擇：使用公式 (C{PRI}=frac{K × I{OUT } × D{MAX}}{f{SW} × 0.01 × V_{PRI}}) 計算所需的原邊輸出電容，工業(yè)應(yīng)用中首選X7R陶瓷輸出電容。
• 副邊輸出電容選擇：使用公式 (C{OUT }=frac{I{OUT } × D{MAX }}{f{SW} × 0.01 × V_{OUT }}) 計算副邊輸出電容，同時要考慮陶瓷電容在直流偏置下的電容損耗，進行適當(dāng)降額。
• 輸入電容選擇：使用公式 (C{I N}=frac{K × I{OUT } × D{M A X} timesleft(1-D{M A X}right)}{f{S W} × Delta V{I N}}) 計算所需的輸入電容，通常推薦使用陶瓷輸入電容，在電源與設(shè)備輸入距離較遠時，可并聯(lián)電解電容。

3. 二極管選擇

副邊整流二極管應(yīng)能夠承受副邊峰值電流和高側(cè)開關(guān)導(dǎo)通時的反向電壓，選擇正向壓降較小的肖特基二極管可獲得更好的輸出調(diào)節(jié)效果。使用公式 (P K{-} DIODE =frac{2 × I{OUT }}{(1-D)}) 計算二極管的峰值電流額定值，使用公式 (V{DIODE }=2 timesleft(left(V{INMAX }-V{PRI}right) × K+V{OUT }right)) 計算二極管的峰值反向電壓額定值，使用公式 (P{DIODE }=V{D} × I{OUT }) 計算二極管的功耗。

4. 最小負載要求

在輕載條件下，由于變壓器漏感和寄生電容的影響，隔離式降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓會過度升高。通常，10%至20%的滿載最小負載足以將轉(zhuǎn)換器輸出電壓調(diào)節(jié)在 ±5%以內(nèi)。在測試原型后，應(yīng)驗證輸出電壓調(diào)節(jié)情況?？墒褂么?lián)電阻和齊納二極管作為過壓保護電路，齊納二極管閾值可選擇比標(biāo)稱調(diào)節(jié)輸出電壓VOUT高15%，串聯(lián)電阻（R1）值可在30Ω至60Ω范圍內(nèi)。

5. 軟啟動電容選擇

通過在SS引腳和SGND之間連接電容來編程軟啟動時間，所選輸出電容（CSEL）和輸出電壓（VOUT）決定了所需的最小軟啟動電容，使用公式 (C{S S} geq 28 × 10^{-6} × C{SEL } × V{PRI}) 計算。軟啟動時間（tSS）與連接在SS引腳的電容（CSS）的關(guān)系為 (t{S S}=frac{C_{S S}}{5.55 × 10^{-6}})。

6. 設(shè)置輸入欠壓鎖定電平

通過連接從VIN到EN/UVLO再到地的電阻分壓器來設(shè)置設(shè)備開啟的電壓。選擇R1最大為3.3MΩ，使用公式 (R 2=frac{R 1 × 1.215}{left(V_{INU }-1.215right)}) 計算R2，其中VINU為設(shè)備需要開啟的電壓。

7. 外部環(huán)路補償

MAX17687采用峰值電流模式控制方案，只需要一個簡單的RC網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)穩(wěn)定的控制環(huán)路。使用公式 (R{Z}=1100 × f{C} timesleft[C{OUT } times(1-D) × K^{2}+C{P R I}right] × V{P R I}) 、 (C{P}=frac{1}{pi × f{S W} × R{Z}}) 和 (C{Z}=frac{5}{pi × f{C} × R_{Z}}) 計算補償組件，其中fC選擇為開關(guān)頻率的1/20。

8. 功耗計算

在特定的工作條件下，可使用公式 (P{LOSS }=P{OUT } timesleft(frac{1}{eta}-1right)-left(I_{PRIRMS }^{2} × R{PRI}right)-left(I_{SECRMS }^{2} × R{SEC }right)-left(V{D} × I{OUT }right)) 估算導(dǎo)致設(shè)備溫度升高的功率損耗，其中POUT為輸出功率，η為功率轉(zhuǎn)換效率，RPRI為變壓器的原邊電阻，RSEC為變壓器的副邊電阻，VD為二極管壓降。使用公式 (T{J _M A X}=T{A{-}} M A X+left(theta{J A} × P_{L O S S}right)) 估算設(shè)備在給定最大環(huán)境溫度（TA_MAX）下的結(jié)溫，若有熱管理系統(tǒng)確保設(shè)備暴露焊盤保持在給定溫度（TEPMAX），則使用公式 (T{J _M A X}=T{E P _M A X}+left(theta{J C} × P_{L O S S}right)) 估算結(jié)溫。

PCB布局指南

在進行PCB布局時，需要注意以下幾點：

• 減少電感：所有承載脈沖電流的連接必須盡可能短且寬，以將電感降至最低，因為電流的高di/dt特性使得電感對電路性能影響較大。同時，減小電流環(huán)路面積可以降低輻射EMI。
• 電容放置：陶瓷輸入濾波電容應(yīng)靠近IC的VIN引腳放置，以消除走線電感的影響，為IC提供更干凈的電壓供應(yīng)。VCC引腳的旁路電容也應(yīng)靠近引腳放置，以減少走線阻抗的影響。
• 接地分離：模擬小信號地和開關(guān)電流的功率地應(yīng)分開，在開關(guān)活動最小的點（通常是VCC旁路電容的返回端）連接在一起，以保持模擬地的安靜。接地平面應(yīng)盡可能保持連續(xù)和完整，避免在任何接地平面不連續(xù)處直接放置承載高開關(guān)電流的走線。
• 散熱設(shè)計：在器件的暴露焊盤下方提供多個連接到大型接地平面的散熱過孔，以實現(xiàn)高效的散熱?？蓞⒖紈ww.maximintegrated.com上的MAX17687評估套件布局，以確保首次設(shè)計成功。

總結(jié)

MAX17687是一款功能強大、性能卓越的隔離式降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，它在寬輸入電壓范圍、高效率、小體積和多種保護功能等方面表現(xiàn)出色。通過合理的設(shè)計和布局，工程師可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，滿足不同應(yīng)用場景的需求。在實際設(shè)計過程中，你是否遇到過類似電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計難題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。