MAX17690：60V無光耦隔離反激控制器的深度解析

一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源管理芯片的性能和特性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率至關(guān)重要。MAX17690作為一款專門為隔離反激拓?fù)湓O(shè)計(jì)的控制器，在諸多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文將深入剖析MAX17690的特點(diǎn)、工作原理、參數(shù)計(jì)算以及應(yīng)用設(shè)計(jì)，為電子工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供全面的參考。

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二、MAX17690概述

2.1 主要特性

• 寬輸入電壓范圍：支持4.5V至60V的輸入電壓，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 無光耦或輔助繞組：可直接從初級(jí)側(cè)反激波形感應(yīng)隔離輸出電壓，無需光耦或輔助繞組進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
• 高驅(qū)動(dòng)能力：具備2A/4A的峰值源/灌電流，能夠快速驅(qū)動(dòng)低RDS(ON)功率MOSFET，實(shí)現(xiàn)快速的柵極轉(zhuǎn)換時(shí)間。
• 可編程特性：開關(guān)頻率可在50kHz至250kHz之間編程，還具有可編程軟啟動(dòng)功能，可有效限制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。
• 保護(hù)功能豐富：擁有輸入過壓保護(hù)、打嗝模式短路保護(hù)和熱關(guān)斷保護(hù)等多種保護(hù)機(jī)制，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域

• 隔離反激轉(zhuǎn)換器
• 寬范圍直流輸入隔離電源
• 工業(yè)和電信應(yīng)用
• PLC I/O模塊

三、關(guān)鍵參數(shù)與特性分析

3.1 絕對(duì)最大額定值

了解芯片的絕對(duì)最大額定值對(duì)于確保其安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。MAX17690的一些關(guān)鍵絕對(duì)最大額定值如下：

• INTVCC至SGND：0.3V至 +16V
• VIN、EN/UVLO至SGND：3V至 +70V
• 工作溫度范圍： -40°C至 +125°C

3.2 電氣特性

• 輸入電壓：輸入電壓范圍為4.5V至60V，在不同工作模式下，輸入電流有所不同。例如，在關(guān)機(jī)模式下（VEN/UVLO = 0V），輸入電源關(guān)機(jī)電流為2.5 - 4μA；當(dāng)VIN = 60V時(shí)，輸入開關(guān)電流為1.8mA。
• 使能（EN/UVLO）：EN/UVLO引腳用于精確控制電源的開啟和關(guān)閉。當(dāng)該引腳電壓上升超過1.215V（典型值）時(shí)，芯片開始切換；當(dāng)電壓下降低于1.1V（典型值）時(shí)，芯片停止切換。
• INTVCC LDO：LDO輸出電壓典型值為7V，輸出電流范圍為1mA至25mA，具有一定的電流限制和欠壓鎖定功能。
• NDRV：NDRV引腳的開關(guān)頻率范圍為50kHz至250kHz，開關(guān)頻率精度為±6%，最大占空比為66 - 71%，還具有最小導(dǎo)通時(shí)間和最小關(guān)斷時(shí)間等特性。

3.3 典型工作特性

通過典型工作特性曲線可以直觀地了解芯片在不同條件下的性能表現(xiàn)。例如，效率與負(fù)載電流的關(guān)系曲線顯示了在不同輸入電壓下，隨著負(fù)載電流的增加，效率的變化情況；輸出電壓與負(fù)載電流、溫度的關(guān)系曲線則反映了輸出電壓的穩(wěn)定性。

四、引腳功能與電路設(shè)計(jì)

4.1 引腳功能

MAX17690共有16個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能：

• OVI：用于設(shè)置輸入過壓閾值，當(dāng)該引腳電壓超過1.215V（典型值）時(shí)，芯片停止切換。
• EN/UVLO：使能/欠壓鎖定引腳，通過連接電阻分壓器來設(shè)置輸入開啟閾值。
• VIN：輸入電源電壓引腳，輸入電壓范圍為4.5V至60V，需連接至少1μF的陶瓷電容到SGND。
• FB：反饋輸入引腳，用于感應(yīng)反激期間的反射輸出電壓。
• SET：連接10kΩ電阻到SGND，為芯片提供外部接地參考。
• TC：用于輸出電壓溫度補(bǔ)償，通過連接電阻RTC到SGND來設(shè)置溫度補(bǔ)償。
• VCM：內(nèi)部零電流檢測(cè)器塊的共模電壓選擇器，需連接電阻RVCM到SGND。
• RIN：與VIN成比例的電流流經(jīng)該引腳連接的電阻RRIN。
• COMP：誤差放大器輸出引腳，需連接頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)到SGND。
• SS：軟啟動(dòng)引腳，通過連接電容CSS到SGND來編程軟啟動(dòng)時(shí)間。
• RT：開關(guān)頻率編程電阻引腳，連接電阻RRT到SGND來設(shè)置PWM開關(guān)頻率。
• SGND：信號(hào)接地引腳。
• CS：電流檢測(cè)輸入引腳，用于設(shè)置峰值電流限制。
• PGND：功率接地引腳。
• NDRV：驅(qū)動(dòng)器輸出引腳，連接到外部MOSFET柵極。
• INTVCC：線性穩(wěn)壓器輸出和驅(qū)動(dòng)器輸入引腳，需連接至少2.2μF的旁路電容到PGND。

4.2 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• 電源電壓：芯片支持4.5V至60V的寬輸入電壓范圍，VIN引腳應(yīng)直接連接到輸入電源，并在VIN引腳和SGND之間連接至少1μF的陶瓷電容，以確保穩(wěn)定運(yùn)行。
• EN/UVLO和OVI：通過電阻分壓器可以設(shè)置EN/UVLO引腳的電壓，從而控制芯片的啟動(dòng)和停止。同時(shí)，通過添加額外的電阻ROVI，可以實(shí)現(xiàn)輸入過壓保護(hù)功能。
• INTVCC：VIN為內(nèi)部LDO供電，LDO輸出電壓典型值為7V。在高輸入電壓應(yīng)用中，可使用額外的繞組來驅(qū)動(dòng)INTVCC，以提高系統(tǒng)效率。
• 軟啟動(dòng)時(shí)間編程：通過在SS引腳和SGND之間連接電容CSS，可以編程軟啟動(dòng)時(shí)間。內(nèi)部產(chǎn)生的5μA精確電流源對(duì)軟啟動(dòng)電容充電，軟啟動(dòng)功能可減少啟動(dòng)時(shí)的輸入浪涌電流。
• 開關(guān)頻率編程：通過在RT引腳和SGND之間連接電阻RRT，可以在50kHz至250kHz之間編程開關(guān)頻率。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可選擇合適的開關(guān)頻率，并通過公式計(jì)算RRT的值。

五、變壓器與元件選擇

5.1 變壓器選擇

由于MAX17690基于反激轉(zhuǎn)換器推薦工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），可根據(jù)以下公式確定變壓器的磁化電感LMAG： [L{MAG}=frac{0.5timesetatimes(V{IN MIN}times D{MAX})^2}{V{OUT}times I{OUT}times f{SW}}] 其中，VOUT為期望輸出電壓，IOUT為期望輸出電流，DMAX為最大占空比，η為轉(zhuǎn)換器目標(biāo)效率，fSW為開關(guān)頻率。

同時(shí)，還需計(jì)算變壓器的匝數(shù)比K： [K=frac{N{S}}{N{P}}=frac{0.8times(V{OUT}+V{D})times(1 - D)}{V_{IN MIN}times D}]

5.2 元件選擇

• 輸入電容：輸入濾波電容可減少?gòu)碾娫醇橙〉姆逯惦娏?，降低轉(zhuǎn)換器開關(guān)引起的輸入總線噪聲和電壓紋波。應(yīng)選擇低ESR、高紋波電流能力的陶瓷電容，如X7R電容?？筛鶕?jù)公式計(jì)算輸入電容值： [C{IN}geqfrac{I{LIM}times Dtimes(1 - frac{D}{2})^2}{2times f{SW}timesDelta V{IN}}]
• 輸出電容：在工業(yè)應(yīng)用中，首選X7R陶瓷輸出電容。根據(jù)目標(biāo)輸出紋波和負(fù)載階躍情況，可分別計(jì)算所需的輸出電容值： [C_{OUTRIPPLE}geqfrac{I{OUT}times(I{LIM}-Ktimes I{OUT})^2}{I{LIM}^2times f{SW}times V{OUTRIPP}}] [C{OUTSTEP}=frac{I{STEP}times t{RESPONSE}}{2timesDelta V{OUT}}] 最終應(yīng)選擇較大的輸出電容值。
• 初級(jí)MOSFET：MOSFET的選擇需考慮最大漏極電壓、初級(jí)峰值/均方根電流、導(dǎo)通電阻、總柵極電荷、寄生電容和最大允許功耗等因素?？筛鶕?jù)公式計(jì)算MOSFET的最大漏極電壓： [V{DSMAX}=V{IN MAX}+2.5timesfrac{(V{OUT}+V{D})}{K}]
• 次級(jí)二極管：次級(jí)二極管的反向阻斷電壓應(yīng)能承受輸出電壓和反射初級(jí)電壓的總和，并留有一定的余量。應(yīng)選擇正向電壓降小、恢復(fù)時(shí)間快的二極管，如快速恢復(fù)二極管或肖特基二極管。
• RCD和RC緩沖電路：為了限制MOSFET漏極的過電壓和振鈴，可使用RCD和RC緩沖電路。通過一系列公式可計(jì)算緩沖電路的元件值。

六、設(shè)計(jì)實(shí)例

以一個(gè)工業(yè)應(yīng)用為例，輸入電壓范圍為18V至36V，輸出電壓為5V，負(fù)載電流為1A，進(jìn)行MAX17690的設(shè)計(jì)計(jì)算：

1. 占空比選擇：根據(jù)公式計(jì)算最大占空比DMAX為0.5。
2. 開關(guān)頻率：計(jì)算最大可能的開關(guān)頻率fSW ≤ 180kHz，選擇180kHz作為開關(guān)頻率，并計(jì)算RRT的值為27.4kΩ。
3. 變壓器磁化電感和匝數(shù)比：計(jì)算變壓器磁化電感LMAG為36μH，匝數(shù)比K為1:0.222。
4. 電流檢測(cè)電阻選擇：計(jì)算變壓器初級(jí)峰值電流LIM為1.38A，選擇RCS為56mΩ。
5. 最小導(dǎo)通時(shí)間和最小關(guān)斷時(shí)間計(jì)算：計(jì)算得到最小導(dǎo)通時(shí)間tON MIN為357ns，最小關(guān)斷時(shí)間tOFF MIN為565ns，均滿足芯片要求。
6. 次級(jí)二極管選擇：計(jì)算次級(jí)二極管的最大反向電壓為19.38V，選擇SBR8U60P5作為次級(jí)二極管。
7. RIN、RFB和RSET電阻選擇：計(jì)算RFB為255kΩ，RIN為150kΩ。
8. 溫度補(bǔ)償：選擇RTC為100kΩ進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
9. 軟啟動(dòng)電容選擇：選擇47nF的電容作為軟啟動(dòng)電容。
10. RVCM電阻選擇：計(jì)算KC為92.6，選擇RVCM為121kΩ。
11. MOSFET選擇：計(jì)算MOSFET的最大漏極電壓為96.2V，選擇SIR698DP-T1-GE3作為初級(jí)MOSFET。
12. 輸出電容選擇：計(jì)算輸出電容為78μF，選擇兩個(gè)100μF、6.3V、1210的電容。
13. 環(huán)路補(bǔ)償：計(jì)算環(huán)路補(bǔ)償值，選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻4.42kΩ、電容47nF和470pF。
14. 輸入電容選擇：計(jì)算輸入電容為2.25μF，選擇兩個(gè)4.7μF、50V、1210的電容。

七、PCB布局指南

• 盡量減小承載脈沖電流路徑的環(huán)路面積，特別是初級(jí)側(cè)繞組、MOSFET開關(guān)和檢測(cè)電阻的高頻電流路徑，以及MOSFET柵極開關(guān)的高頻電流路徑。
• INTVCC旁路電容應(yīng)直接連接在IC的INTVCC和PGND引腳之間。
• 在VIN和SGND引腳之間連接旁路電容，并將其放置在靠近IC的位置。
• IC的暴露焊盤應(yīng)直接連接到SGND引腳，并通過熱過孔連接到其他層的SGND平面，以實(shí)現(xiàn)良好的散熱。
• 盡量縮短RFB電阻的走線長(zhǎng)度。
• INTVCC電容和SGND平面的PGND連接應(yīng)在電流檢測(cè)電阻的負(fù)端進(jìn)行星形連接。

八、總結(jié)

MAX17690作為一款高性能的60V無光耦隔離反激控制器，具有寬輸入電壓范圍、豐富的保護(hù)功能和可編程特性等優(yōu)勢(shì)。通過合理選擇變壓器和元件，以及遵循PCB布局指南，可以設(shè)計(jì)出穩(wěn)定、高效的電源系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師應(yīng)根據(jù)具體需求進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和電路設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮MAX17690的性能。你在使用MAX17690進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，是否遇到過一些棘手的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。