探索MAX17681/MAX17681A：高效隔離降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子設(shè)備的電源設(shè)計領(lǐng)域，一款性能出色的DC-DC轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)穩(wěn)定、高效供電的關(guān)鍵。今天，我們就來深入探討Maxim Integrated推出的MAX17681/MAX17681A——一款高電壓、高效率的隔離降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，它能為我們帶來怎樣的驚喜呢？

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一、產(chǎn)品概述

MAX17681/MAX17681A專為提供高達5W的隔離電源而設(shè)計，可在4.5V至42V的寬輸入電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，并采用原邊反饋來調(diào)節(jié)輸出電壓。它采用峰值電流模式控制，片上低電阻MOSFET不僅確保了滿載時的高效率，還簡化了PCB布局。其中，MAX17681A在MAX17681的基礎(chǔ)上進行了增強設(shè)計，支持強大的副邊過流保護功能。該產(chǎn)品采用緊湊的10引腳（3mm x 2mm）TDFN封裝，還提供仿真模型，方便工程師進行設(shè)計和驗證。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

這款轉(zhuǎn)換器具有廣泛的應(yīng)用場景，包括隔離現(xiàn)場總線接口、PLC I/O模塊、智能電表、醫(yī)療設(shè)備中的隔離電源以及浮動電源生成等。在這些應(yīng)用中，MAX17681/MAX17681A能夠發(fā)揮其高效、穩(wěn)定的特性，為設(shè)備提供可靠的電源支持。

三、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢

（一）減少外部組件和總成本

• 無需光耦：避免了光耦帶來的成本和復(fù)雜性，簡化了電路設(shè)計。
• 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，有助于實現(xiàn)緊湊的PCB布局，降低產(chǎn)品體積。

（二）減少DC-DC穩(wěn)壓器庫存

• 寬輸入電壓范圍：4.5V至42V的輸入范圍，可適應(yīng)多種電源環(huán)境，減少了對不同輸入電壓穩(wěn)壓器的需求。
• 靈活的原邊輸出電壓：0.9V至0.96 x VIN的原邊輸出電壓，能夠滿足不同的應(yīng)用需求。
• 高輸出功率：可提供高達5W的輸出功率，滿足大多數(shù)中小功率設(shè)備的供電需求。

（三）降低功耗

• 高效率：峰值效率超過90%，有效降低了能量損耗，提高了電源的轉(zhuǎn)換效率。
• 低關(guān)斷電流：典型關(guān)斷電流僅為0.9μA，在設(shè)備待機時能夠顯著降低功耗。

（四）惡劣工業(yè)環(huán)境下可靠運行

• 過流保護：具備峰值和灌電流限制保護，能夠有效保護設(shè)備免受過大電流的損害。
• 高精度反饋：±1.7%的反饋精度，確保輸出電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
• 可編程使能/欠壓鎖定閾值：用戶可以根據(jù)實際需求設(shè)置使能和欠壓鎖定的閾值，提高了設(shè)備的靈活性和可靠性。
• 可調(diào)軟啟動：通過調(diào)節(jié)軟啟動時間，可以減少輸入浪涌電流，保護電源和設(shè)備。
• 過溫保護：當(dāng)設(shè)備溫度過高時，自動關(guān)閉，防止設(shè)備因過熱而損壞。
• 寬工作溫度范圍：-40°C至+125°C的工作溫度范圍，能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。

（五）短路保護

• MAX17681A支持強大的副邊短路保護：在副邊出現(xiàn)短路時，能夠迅速響應(yīng)，保護設(shè)備安全。因此，對于新設(shè)計，推薦使用MAX17681A。

四、電氣特性

在電氣特性方面，MAX17681/MAX17681A表現(xiàn)出色。例如，輸入電壓范圍為4.5V至42V，關(guān)斷模式下輸入電流僅為0.9μA至3.5μA，正常開關(guān)模式下無負載時輸入電流為1.95mA至2.8mA。此外，其開關(guān)頻率為186kHz至213kHz，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。

五、引腳配置與功能

該產(chǎn)品的引腳配置清晰，每個引腳都有明確的功能。例如，PGND為電源地，VIN為開關(guān)調(diào)節(jié)器輸入，EN/UVLO為使能/欠壓檢測輸入，Vcc為內(nèi)部LDO輸出，F(xiàn)B為輸出反饋連接，SS為軟啟動輸入，COMP為補償輸入，RESET為開漏復(fù)位輸出，GND為信號地，LX為開關(guān)節(jié)點。通過合理連接這些引腳，可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)換器的有效控制和調(diào)節(jié)。

六、詳細工作原理

（一）線性穩(wěn)壓器（VCC）

內(nèi)部線性穩(wěn)壓器（VCC）為內(nèi)部模塊和低邊MOSFET驅(qū)動器提供5V的標(biāo)稱電源。VCC輸出應(yīng)通過1μF陶瓷電容旁路到地，當(dāng)VCC電壓低于3.7V（典型值）時，欠壓鎖定電路將禁用內(nèi)部線性穩(wěn)壓器。內(nèi)部VCC線性穩(wěn)壓器可提供高達40mA（典型值）的電流，為設(shè)備和低邊柵極驅(qū)動器供電。

（二）使能輸入（EN/UVLO）和軟啟動（SS）

當(dāng)EN/UVLO電壓超過1.218V（典型值）時，設(shè)備啟動軟啟動序列，軟啟動時間取決于連接在SS引腳和地之間的電容值。一個5μA的電流源對電容充電，使SS引腳電壓上升，該電壓作為內(nèi)部誤差放大器的參考，從而使輸出電壓從0單調(diào)增加到目標(biāo)值。EN/UVLO還可用于調(diào)節(jié)輸入欠壓鎖定電平，通過外部電壓分壓器可以調(diào)整設(shè)備開啟或關(guān)閉的輸入電壓。當(dāng)EN/UVLO引腳接地時，兩個功率MOSFET和其他內(nèi)部電路將被禁用，輸入靜態(tài)電流降至0.9μA（典型值）。

（三）過流保護/HICCUP模式

MAX17681/MAX17681A具備過流保護功能，在過載和輸出短路情況下保護設(shè)備。逐周期峰值電流限制會在開關(guān)電流超過內(nèi)部限制（典型值為1.65A）時關(guān)閉高邊MOSFET，灌電流限制會在低邊MOSFET負電流超過1.25A（典型值）時關(guān)閉低邊開關(guān)。高邊MOSFET電流的失控電流限制（典型值為1.7A）可在高輸入電壓和短路條件下保護設(shè)備。

MAX17681在出現(xiàn)一次失控電流限制或軟啟動完成后原邊輸出電壓降至標(biāo)稱值的70.5%（典型值）時進入打嗝模式，此時轉(zhuǎn)換器會暫停開關(guān)操作32,768個時鐘周期，超時后再次嘗試軟啟動。而MAX17681A在檢測到16個連續(xù)的負電流限制事件后進入打嗝模式，在打嗝超時期間，原邊電容電壓會被主動放電，并對原邊和副邊輸出進行軟啟動，從而實現(xiàn)強大的副邊過流保護和過流消除后的平滑輸出電壓恢復(fù)。

（四）RESET輸出

設(shè)備包含一個RESET比較器，用于監(jiān)測原邊輸出電壓。開漏RESET輸出需要一個外部上拉電阻，低電平時可吸收2mA電流。當(dāng)原邊輸出電壓超過標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的95.5%后1024個開關(guān)周期，RESET變?yōu)楦咦钁B(tài)；當(dāng)原邊輸出電壓降至標(biāo)稱調(diào)節(jié)電壓的92.5%以下時，RESET變?yōu)榈碗娖?。在MAX17681A中，當(dāng)副邊輸出短路時，打嗝期間原邊輸出電壓也會放電，因此RESET可作為故障指示。此外，熱關(guān)斷時RESET也會變?yōu)榈碗娖健?/p>

（五）熱過載保護

熱過載保護可限制設(shè)備的總功耗。當(dāng)設(shè)備結(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后再次開啟。在正常運行時，需要仔細評估總功耗，以避免熱過載保護的誤觸發(fā)。

七、應(yīng)用電路設(shè)計要點

（一）變壓器參數(shù)選擇

• 原邊輸出電壓選擇：原邊輸出電壓由MAX17681/MAX17681A控制環(huán)路調(diào)節(jié)，可通過公式(V{PRI}=D{MAX} × V_{INMIN })計算，其中(D{MAX})為轉(zhuǎn)換器的最大占空比，(V_{IN_MIN})為最小輸入電壓，理想的最大占空比范圍為0.4至0.6。
• 匝數(shù)比選擇：忽略二極管壓降、變壓器電阻和漏感，隔離降壓輸出電壓(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}})，可通過調(diào)整原邊輸出電壓來匹配現(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公式(L{PRI}=7 × V{PRI})計算，原邊紋波電流可通過公式(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。
• 繞組峰值和RMS電流：需要根據(jù)公式計算原邊和副邊繞組的峰值和RMS電流，以選擇合適的隔離降壓變壓器。

（二）電容選擇

• 原邊輸出電容：工業(yè)應(yīng)用中首選X7R陶瓷輸出電容，最小所需輸出電容可通過公式(C{PRI}=frac{I{HS _AVG } × D{MAX }}{f{SW} × 0.01 × V_{PRI}})計算。
• 副邊輸出電容：副邊電容在高邊開關(guān)導(dǎo)通時提供負載電流，支持1%穩(wěn)態(tài)紋波所需的輸出電容可通過公式(C{OUT }=frac{I{OUT } × D{MAX }}{f{SW} × 0.01 × V_{OUT }})計算。同時，要注意陶瓷電容的直流偏置會導(dǎo)致電容值下降，需進行適當(dāng)降額。
• 輸入電容：輸入電容可減少從電源汲取的峰值電流，降低開關(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}})計算，其中(Delta V_{IN})為輸入電壓紋波，通常為最小輸入電壓的2%。

（三）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邊開關(guān)導(dǎo)通時的反向電壓，建議選擇正向壓降較小的肖特基二極管，以實現(xiàn)更好的輸出電壓調(diào)節(jié)。二極管的峰值電流額定值為(PKDIODE {i}=frac{I{OUT }}{(1-D)})，峰值反向電壓額定值為(V{DIODE }=2 timesleft(left(V_{INMAX }-V{PRI}right) × K+V{OUT }right))，二極管的功耗可通過公式(P{DIODE }=V{D} × I{OUT })計算。

（四）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。可使用串聯(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(V_{OUT})高15%，串聯(lián)電阻值范圍為30Ω至60Ω。

（五）軟啟動電容選擇

MAX17681/MAX17681A實現(xiàn)了可調(diào)軟啟動操作，以減少浪涌電流。連接在SS引腳和地之間的電容可設(shè)置軟啟動時間，軟啟動時間(t{SS})與電容(C{SS})的關(guān)系為(C{SS}=5.55 × t{SS})，其中(t{SS})單位為毫秒，(C{SS})單位為納法。

（六）輸入欠壓鎖定電平設(shè)置

設(shè)備提供可調(diào)的輸入欠壓鎖定電平，可通過連接從(V{IN})到地的電阻分壓器來設(shè)置設(shè)備開啟的電壓，將分壓器的中心節(jié)點連接到EN/UVLO。選擇(R1)最大為3.3MΩ，然后根據(jù)公式(R 2=frac{R 1 × 1.218}{left(V{INU }-1.218right)})計算(R2)，其中(V_{INU})為設(shè)備所需開啟的電壓。

（七）外部環(huán)路補償

MAX17681/MAX17681A采用峰值電流模式控制方案，只需一個簡單的RC網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)穩(wěn)定的控制環(huán)路。補償網(wǎng)絡(luò)的組件可通過以下公式計算：

• (R{COMP}=6000 × f{C} timesleft(C{OUT } times(1-D) × K^{2}+C{PRI}right) × V{PRI})，其中(R{COMP})單位為Ω，最大限制為12kΩ，(f_{C})為轉(zhuǎn)換器的帶寬，范圍為2kHz至10kHz。
• (C{COMP}=frac{5}{pi × f{C} × R_{COMP}})
• (C{P}=frac{1}{2 pi × 50000 × R{COMP }})

（八）功率損耗和結(jié)溫估算

在特定工作條件下，可通過公式(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(P{OUT })為輸出功率，(eta)為功率轉(zhuǎn)換效率，(R{PRI})為變壓器原邊電阻，(R{SEC})為變壓器副邊電阻，(V{D})為二極管壓降。設(shè)備的結(jié)溫(T{J})可通過公式(T{J}=T{A}+left(theta{JA} × P{LOSS}right))估算，其中(theta{JA})為封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻。

（九）PCB布局指南

• 減小雜散電感和輻射EMI：所有承載脈沖電流的連接應(yīng)盡可能短且寬，減小連接的環(huán)路面積，以降低雜散電感和輻射EMI。
• 合理放置電容和補償組件：陶瓷輸入濾波電容應(yīng)靠近設(shè)備的(V_{IN})引腳，VCC引腳的旁路電容也應(yīng)靠近VCC引腳。外部補償組件應(yīng)靠近IC，遠離LX節(jié)點，反饋走線應(yīng)盡量遠離LX節(jié)點。
• 分離信號和電源地：信號地和電源地應(yīng)分開，在開關(guān)噪聲最小的點（通常是VCC旁路電容的返回端）連接，接地平面應(yīng)盡可能保持連續(xù)。
• 提供散熱通道：在設(shè)備的暴露焊盤下方提供多個連接到大地平面的熱過孔，以實現(xiàn)高效散熱。

八、典型應(yīng)用電路

文檔中給出了多個典型應(yīng)用電路，如低剖面24V至24V、100mA隔離輸出應(yīng)用電路，24V至±15V、75mA隔離輸出應(yīng)用電路，以及24V至3.3V/80mA非隔離和±16V、65mA隔離輸出應(yīng)用電路等。這些電路詳細列出了所需的組件型號和參數(shù)，為工程師提供了實際設(shè)計的參考。

九、總結(jié)

MAX17681/MAX17681A以其高效、穩(wěn)定、可靠的性能，為電子設(shè)備的電源設(shè)計提供了優(yōu)秀的解決方案。在實際應(yīng)用中，工程師可以根據(jù)具體需求，合理選擇變壓器、電容、二極管等組件，優(yōu)化電路設(shè)計，并遵循PCB布局指南，以確保設(shè)備的性能和可靠性。你在使用MAX17681/MAX17681A的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。