探索MAX17686：高效隔離式DC - DC轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理一直是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。對(duì)于需要高效、可靠隔離電源的應(yīng)用場(chǎng)景，MAX17686這款高電壓、高效率的iso - buck DC - DC轉(zhuǎn)換器無(wú)疑是一個(gè)值得深入研究的選擇。下面，我們就來(lái)詳細(xì)了解一下MAX17686的特點(diǎn)、工作原理以及應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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產(chǎn)品概述

MAX17686屬于Rainier系列隔離式DC - DC產(chǎn)品，能夠以較低的BOM成本實(shí)現(xiàn)小型、高效的解決方案。它專為提供高達(dá)5W的隔離電源而設(shè)計(jì)，可在4.5V至60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，并采用原邊反饋來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。其采用峰值電流模式控制，片上低電阻MOSFET在滿載時(shí)確保了高效率，同時(shí)簡(jiǎn)化了PCB布局。該器件采用緊湊的10引腳（3mm x 2mm）TDFN封裝，還可在EE - Sim中獲取仿真模型和設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具。

關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

減少外部組件和總成本

• 無(wú)需光耦：這一特性簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低了成本和電路板空間需求。
• 同步原邊操作：提高了電源轉(zhuǎn)換效率，減少了能量損耗。
• 全陶瓷電容，緊湊布局：陶瓷電容具有良好的穩(wěn)定性和高頻特性，有助于實(shí)現(xiàn)緊湊的電路板設(shè)計(jì)。

支持多種隔離式DC - DC應(yīng)用

• 寬輸入電壓范圍：4.5V至60V的輸入范圍，使其適用于各種不同的電源環(huán)境。
• 高達(dá)5W的輸出功率：能夠滿足大多數(shù)中小功率隔離電源的需求。

降低功耗

• 峰值效率 > 90%：高效的電源轉(zhuǎn)換意味著更少的能量損耗，降低了系統(tǒng)的發(fā)熱和功耗。
• 0.9μA（典型值）關(guān)斷電流：在不工作時(shí)，極低的關(guān)斷電流有助于延長(zhǎng)電池壽命或降低待機(jī)功耗。

惡劣工業(yè)環(huán)境下可靠運(yùn)行

• 峰值和灌電流限制保護(hù)：保護(hù)器件免受過(guò)大電流的損害，提高了系統(tǒng)的可靠性。
• 強(qiáng)大的副邊輸出過(guò)流保護(hù)：確保在負(fù)載異常時(shí)，器件能夠安全運(yùn)行。
• ±1.7%反饋精度：保證了輸出電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
• 可編程EN/UVLO閾值：用戶可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置使能和欠壓鎖定的電壓閾值。
• 可調(diào)軟啟動(dòng)：減少了輸入浪涌電流，保護(hù)了電源和負(fù)載。
• 過(guò)溫保護(hù)：當(dāng)器件溫度過(guò)高時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷，防止器件損壞。
• -40°C至 + 125°C工作溫度范圍：適應(yīng)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。

電氣特性詳解

輸入電源

輸入電壓范圍為4.5V至60V，在不同工作模式下，輸入電源電流有所不同。例如，在關(guān)斷模式下，輸入電源電流典型值為0.9μA；在正常開(kāi)關(guān)模式且無(wú)負(fù)載時(shí)，輸入電源電流典型值為2.8mA。

使能/欠壓鎖定（EN/UVLO）

EN閾值在上升和下降時(shí)具有不同的值，上升閾值典型值為1.218V，下降閾值典型值為1.135V。EN輸入泄漏電流在特定條件下有相應(yīng)的限制。

線性穩(wěn)壓器（VCC）

內(nèi)部線性穩(wěn)壓器VCC提供標(biāo)稱5V的電源，為內(nèi)部模塊和低邊MOSFET驅(qū)動(dòng)器供電。其輸出應(yīng)通過(guò)一個(gè)1μF的陶瓷電容旁路到地。當(dāng)VCC低于3.7V（典型值）時(shí)，欠壓鎖定電路會(huì)禁用內(nèi)部線性穩(wěn)壓器。

功率MOSFET

高邊pMOS和低邊nMOS的導(dǎo)通電阻在不同溫度下有不同的值。例如，在25°C時(shí)，高邊pMOS導(dǎo)通電阻典型值為0.55Ω，低邊nMOS導(dǎo)通電阻典型值為0.2Ω；在125°C時(shí)，高邊pMOS導(dǎo)通電阻典型值為1.2Ω，低邊nMOS導(dǎo)通電阻典型值為0.47Ω。

軟啟動(dòng)（SS）

軟啟動(dòng)輸入通過(guò)連接一個(gè)陶瓷電容到地來(lái)設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間。充電電流在VSS = 0.5V時(shí)，典型值為5μA。

反饋（FB）

FB調(diào)節(jié)電壓典型值為0.9V，F(xiàn)B輸入偏置電流在25°C時(shí)典型值為100nA。

跨導(dǎo)放大器（COMP）

跨導(dǎo)典型值為590μS，COMP源電流和灌電流典型值均為32μA，電流感測(cè)跨阻典型值為0.5V/A。

電流限制

峰值電流限制閾值典型值為1.65A，失控電流限制閾值典型值為1.7A，灌電流限制閾值典型值為1.25A。

時(shí)序

開(kāi)關(guān)頻率典型值為200kHz，在越過(guò)失控電流限制后進(jìn)入打嗝模式的事件次數(shù)為1次，輸出欠壓跳閘電平導(dǎo)致打嗝的典型值為70.5%，打嗝超時(shí)為32768個(gè)周期，最小導(dǎo)通時(shí)間典型值為300ns，最大占空比典型值為97.5%，LX死區(qū)時(shí)間典型值為12ns。

復(fù)位（RESET）

RESET輸出在FB電壓下降到低于標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的92.5%時(shí)拉低，在FB電壓上升到高于標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的95.5%后1024個(gè)開(kāi)關(guān)周期變?yōu)楦咦杩埂?/p>

熱關(guān)斷

熱關(guān)斷閾值在溫度上升時(shí)為165°C，熱關(guān)斷遲滯為10°C。

工作原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)

隔離式降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/h3>

MAX17686采用iso - buck拓?fù)?，這是一種基于同步降壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可在不使用光耦的情況下產(chǎn)生低功率隔離輸出。在高邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，原邊電流上升，能量存儲(chǔ)在變壓器的磁化電感和原邊電容中；在低邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，副邊二極管正向偏置，原邊電流下降，釋放存儲(chǔ)的能量到負(fù)載。

原邊輸出電壓選擇與調(diào)整

原邊輸出電壓由MAX17686控制環(huán)路調(diào)節(jié)，可通過(guò)公式 (V{PRI}=D{MAX} × V_{INMIN }) 計(jì)算，其中 (D{MAX }) 為轉(zhuǎn)換器的最大占空比， (V_{INMIN}) 為最小輸入電壓。最大占空比應(yīng)在0.4至0.6之間，以實(shí)現(xiàn)理想的iso - buck操作。通過(guò)從原邊輸出到FB再到地的電阻分壓器可以調(diào)整原邊輸出電壓，選擇R2范圍為10k至49.9k，使用公式 (R 1=R 2 timesleft(frac{V{PRI}}{0.9}-1right)) 計(jì)算R1。

匝數(shù)比選擇

忽略寄生電阻和漏感，iso - buck輸出電壓 (V{OUT}) 與原邊輸出電壓 (V{PRI}) 成正比，匝數(shù)比 (K=frac{N{SEC}}{N{PRI}}=frac{V{OUT}+V{D}}{V_{PRI}}) ?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整原邊輸出電壓來(lái)匹配現(xiàn)成變壓器的匝數(shù)比。

原邊電感選擇

原邊電感值決定了變壓器中的紋波電流，所需原邊電感可通過(guò)公式 (L{PRI}=7 × V{PRI}) 計(jì)算，原邊紋波電流可通過(guò)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(jì)算。

繞組峰值和RMS電流

在選擇iso - buck變壓器時(shí)，需要指定繞組的峰值和RMS電流額定值。原邊和副邊繞組的峰值電流、RMS電流都有相應(yīng)的計(jì)算公式。

漏感

變壓器的漏感對(duì)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)，漏感應(yīng)降低到原邊電感值的1%以下。

原邊負(fù)峰值電流

原邊電流在低邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)可能為負(fù)，穩(wěn)態(tài)原邊負(fù)峰值電流不應(yīng)超過(guò) - 1A，可通過(guò)公式 (NEGPK_PRI = IPKPRI -left(frac{1}{(1-D)} × sum{i=1}^{n}left(I{OUT{i}} × K_{i}right)right)-Delta I) 計(jì)算。

電容和二極管選擇

• 原邊輸出電容：首選X7R陶瓷輸出電容，最小所需輸出電容可通過(guò)公式 (C{PRI}=frac{I{HS _AVG } × D{MAX }}{f{SW} × 0.01 × V_{PRI}}) 計(jì)算。
• 副邊輸出電容：副邊電容在高邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)提供負(fù)載電流，支持1%穩(wěn)態(tài)紋波所需的輸出電容可通過(guò)公式 (C{OUT }=frac{I{OUT } × D{MAX }}{f{SW} × 0.01 × V_{OUT }}) 計(jì)算。
• 輸入電容：輸入電容可減少?gòu)碾娫醇橙〉姆逯惦娏鳎档?a href="http://www.makelele.cn/soft/data/4-15/" target="_blank">開(kāi)關(guān)電路引起的輸入噪聲和電壓紋波，所需輸入電容可通過(guò)公式 (C{I N}=frac{I{H S _A V G} × D{M A X} timesleft(1-D{M A X}right)}{f{S W} × Delta V{I N}}) 計(jì)算。
• 副邊二極管：副邊整流二極管應(yīng)能夠承受峰值副邊電流和高邊開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的反向電壓，首選正向電壓降較小的肖特基二極管。

最小負(fù)載要求

在輕載條件下，由于變壓器漏感和寄生電容的影響，iso - buck轉(zhuǎn)換器的輸出電壓會(huì)過(guò)度升高。通常，10%至20%的滿載最小負(fù)載足以使轉(zhuǎn)換器輸出電壓調(diào)節(jié)在±5%以內(nèi)。

軟啟動(dòng)電容選擇

MAX17686實(shí)現(xiàn)了可調(diào)軟啟動(dòng)操作，通過(guò)連接在SS引腳到地的電容來(lái)編程軟啟動(dòng)周期，軟啟動(dòng)時(shí)間 (t{SS}) 與電容 (C{SS}) 的關(guān)系為 (C{SS}=5.55 × t{SS}) 。

輸入欠壓鎖定電平設(shè)置

通過(guò)連接從VIN到地的電阻分壓器，可以設(shè)置器件開(kāi)啟的電壓，選擇R1最大為3.3MΩ，使用公式 (R 2=frac{R 1 × 1.218}{left(V_{INU }-1.218right)}) 計(jì)算R2。

外部環(huán)路補(bǔ)償

MAX17686采用峰值電流模式控制方案，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制環(huán)路。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的組件可通過(guò)相應(yīng)的公式計(jì)算。

功率損耗與溫度估算

在特定的工作條件下，器件的功率損耗可通過(guò)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，結(jié)溫 (T{J}) 可通過(guò)公式 (T{J}=T{A}+left(theta{JA} × P_{LOSS}right)) 估算。

PCB布局指南

• 所有承載脈沖電流的連接必須盡可能短且寬，以減少雜散電感和輻射EMI。
• 陶瓷輸入濾波電容應(yīng)靠近器件的VIN引腳放置，VCC引腳的旁路電容也應(yīng)靠近VCC引腳。外部補(bǔ)償組件應(yīng)靠近IC并遠(yuǎn)離LX節(jié)點(diǎn)，反饋?zhàn)呔€應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離LX節(jié)點(diǎn)。
• 信號(hào)地和功率地應(yīng)分開(kāi)，在開(kāi)關(guān)噪聲最小的點(diǎn)連接，通常是VCC旁路電容的返回端。接地平面應(yīng)盡可能連續(xù)。
• 在器件的暴露焊盤下方應(yīng)提供多個(gè)連接到大地平面的熱過(guò)孔，以實(shí)現(xiàn)高效的散熱。

典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個(gè)典型應(yīng)用電路，包括24V、100mA隔離輸出應(yīng)用電路，±15V、100mA隔離輸出應(yīng)用電路以及寬輸入范圍24V、100mA隔離輸出應(yīng)用電路。這些電路詳細(xì)列出了各個(gè)組件的型號(hào)和參數(shù)，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供了參考。

總結(jié)

MAX17686以其高效、可靠、緊湊的特點(diǎn)，為隔離式DC - DC電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師需要根據(jù)具體的需求和工作條件，合理選擇和設(shè)計(jì)電路組件，同時(shí)注意PCB布局和散熱等問(wèn)題，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。你在使用MAX17686進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。