探索MAX5019/MAX5020：集成啟動(dòng)電路的電流模式PWM控制器

在電子工程師的日常工作中，設(shè)計(jì)高效、穩(wěn)定的電源供應(yīng)器是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。MAX5019/MAX5020這兩款集成啟動(dòng)電路的電流模式PWM控制器，為我們?cè)陔娫丛O(shè)計(jì)方面提供了強(qiáng)大的支持。今天，我就和大家詳細(xì)探討一下這兩款控制器的特點(diǎn)、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

文件下載：MAX5020.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX5019/MAX5020集成了實(shí)現(xiàn)DC - DC固定頻率電源所需的所有組件。無(wú)論是采用原邊還是副邊調(diào)節(jié)，都能實(shí)現(xiàn)隔離或非隔離電源。它們是電流模式控制器，集成了適用于電信/工業(yè)電壓范圍電源的高壓啟動(dòng)電路。

關(guān)鍵特性

1. 寬輸入范圍：支持(18V至110V)或(13V至36V)的輸入電壓，能適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境。
2. 隔離或非隔離電源：可實(shí)現(xiàn)無(wú)光電耦合器的隔離電源或非隔離電源，為設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。
3. 電流模式控制：簡(jiǎn)化了控制環(huán)路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。
4. 前沿消隱：有效避免了PWM比較器因前沿尖峰而提前終止導(dǎo)通周期。
5. 內(nèi)部修整的275kHz ±10%振蕩器：降低了磁性和濾波組件的成本，同時(shí)減小了電路板空間。
6. 低外部組件數(shù)量：減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本。
7. 軟啟動(dòng)：使負(fù)載電壓能夠以受控的方式上升，避免輸出電壓過(guò)沖。
8. 高壓?jiǎn)?dòng)電路：允許設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)直接從18V至110V的輸入電源獲取能量。
9. 逐脈沖電流限制：保護(hù)MOSFET免受過(guò)流損壞。
10. 熱關(guān)斷：當(dāng)芯片溫度過(guò)高時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，提高了系統(tǒng)的可靠性。
11. SO - 8封裝：體積小，便于安裝和布局。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

MAX5019/MAX5020適用于多種電源應(yīng)用場(chǎng)景，包括：

• 電信電源：滿足電信設(shè)備對(duì)電源穩(wěn)定性和可靠性的高要求。
• 工業(yè)電源：適應(yīng)工業(yè)環(huán)境中的復(fù)雜電壓和負(fù)載條件。
• 網(wǎng)絡(luò)電源：為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供穩(wěn)定的電力支持。
• 隔離電源：在需要電氣隔離的場(chǎng)合發(fā)揮重要作用。

三、技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

1. 電流模式控制

MAX5019/MAX5020采用電流模式控制，具有前沿消隱功能。通過(guò)前沿消隱電路，僅對(duì)應(yīng)用于PWM比較器輸入的感測(cè)電流信號(hào)進(jìn)行消隱，而電流限制比較器始終監(jiān)測(cè)CS引腳，實(shí)現(xiàn)逐脈沖電流限制。這種設(shè)計(jì)避免了因MOSFET柵極充電電流、電容和二極管反向恢復(fù)電流產(chǎn)生的前沿尖峰對(duì)PWM比較器的干擾。

2. 內(nèi)部調(diào)節(jié)器

芯片內(nèi)部的調(diào)節(jié)器允許初始啟動(dòng)時(shí)無(wú)需使用有損耗的啟動(dòng)電阻，并能對(duì)三次側(cè)（偏置）繞組的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，為芯片供電。啟動(dòng)時(shí)，V+電壓被調(diào)節(jié)為VCC，為設(shè)備提供偏置。VDD調(diào)節(jié)器則從三次側(cè)繞組的輸出調(diào)節(jié)到VCC。當(dāng)VDD電壓達(dá)到12.7V時(shí)，高壓調(diào)節(jié)器禁用，降低了功耗，提高了效率。

3. 欠壓鎖定（UVLO）、軟啟動(dòng)和關(guān)斷

• 軟啟動(dòng)：通過(guò)連接到SS_SHDN引腳的電容實(shí)現(xiàn)。在UVLO期間，電容放電；退出UVLO時(shí)，內(nèi)部電流源開始對(duì)電容充電，啟動(dòng)軟啟動(dòng)周期。軟啟動(dòng)完成后，VSS_SHDN被調(diào)節(jié)到2.4V。
• 欠壓鎖定：當(dāng)VCC小于6.6V時(shí)，控制器關(guān)閉，但V+和參考電壓的調(diào)節(jié)器仍保持開啟。
• 關(guān)斷：將VSS_SHDN拉低至0.25V以下，可禁用控制器。

4. 電流感測(cè)比較器

電流感測(cè)（CS）比較器及其相關(guān)邏輯用于限制通過(guò)MOSFET的峰值電流。當(dāng)VCS超過(guò)465mV時(shí)，功率MOSFET關(guān)斷，從開關(guān)電流達(dá)到觸發(fā)水平到驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷的傳播延遲為180ns。

5. 內(nèi)部誤差放大器

內(nèi)部誤差放大器可用于調(diào)節(jié)非隔離電源的輸出電壓，也可用于調(diào)節(jié)三次側(cè)繞組的輸出，以實(shí)現(xiàn)原邊調(diào)節(jié)的隔離電源。通過(guò)合理選擇電阻R1和R2的值，可以精確控制輸出電壓。

6. PWM比較器和斜率補(bǔ)償

內(nèi)部275kHz振蕩器決定了控制器的開關(guān)頻率。MAX5019使用內(nèi)部斜坡發(fā)生器進(jìn)行斜率補(bǔ)償，斜坡信號(hào)在每個(gè)周期開始時(shí)復(fù)位，并以26mV/μs的速率上升。PWM比較器根據(jù)瞬時(shí)電流、誤差電壓、內(nèi)部參考和斜率補(bǔ)償（僅MAX5019）來(lái)決定何時(shí)關(guān)斷N溝道MOSFET。

7. N溝道MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器

NDRV驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET，能夠提供大的瞬態(tài)電流來(lái)充電和放電MOSFET柵極。為了支持這種開關(guān)瞬態(tài)，需要使用陶瓷電容對(duì)VCC進(jìn)行旁路。

四、設(shè)計(jì)實(shí)例：使用MAX5020設(shè)計(jì)正向轉(zhuǎn)換器

下面為大家介紹使用MAX5020設(shè)計(jì)正向轉(zhuǎn)換器的一般步驟：

1. 確定要求：明確輸入電壓范圍、輸出電壓、輸出電流和紋波電壓等參數(shù)。例如，設(shè)計(jì)中要求 (36V leq V{IN} leq 72V)，(V{OUT}=5V)，(I{OUT}=10A)，(V{RIPPLE} leq) 某一值。
2. 設(shè)置輸出電壓：根據(jù)公式 (V{OUT} cong V{REF}(1+frac{R{1}}{R{2}})) 計(jì)算電阻R1和R2的值，同時(shí)要滿足 (R{1} // R{2} ll 50kΩ)，其中 (V{REF}=V{SS_SHDN} cong 2.4V)。
3. 計(jì)算變壓器原邊到副邊的匝數(shù)比：根據(jù)最小輸入電壓和MAX5020最大占空比的下限（44%）計(jì)算匝數(shù)比 (frac{N{S}}{N{P}} geq frac{V{OUT}+(V{D1} × D{MAX})}{D{MAX} × V{IN_MIN}})。在本例中，計(jì)算得出 (frac{N{S}}{N_{P}} geq 0.330)，選擇 (NP = 14)，則 (Ns = 5)。
4. 計(jì)算復(fù)位繞組到原邊的匝數(shù)比：為了確保變壓器中的所有能量在最大占空比的關(guān)斷周期內(nèi)返回V+，需要計(jì)算復(fù)位繞組的匝數(shù)比 (N{R} leq N{P} × frac{1 - D{MAX}'}{D{MAX}'})。計(jì)算得出 (N{R} leq 14)，取整后確定 (NR) 的值。同時(shí)，還需要根據(jù)公式 (V{DSMAX} geq V{IN_MAX} × (1+frac{N{P}}{N_{R}})) 確定N溝道MOSFET的最大漏源電壓，選擇具有適當(dāng)雪崩功率額定值的MOSFET。
5. 計(jì)算三次側(cè)繞組到原邊的匝數(shù)比：選擇三次側(cè)繞組匝數(shù)比，使最小輸入電壓能在VDD提供最小工作電壓（13V）。根據(jù)公式 (frac{V{D D M I N}+0.7}{V{I N _M I N}} × N{P} leq N{T} leq frac{V{D D M A X}+0.7}{V{I N _M A X}} × N{P}) 計(jì)算，本例中得出 (5.33 leq N{T} leq 7.14)，選擇 (N_{T}=6)。
6. 計(jì)算電流感測(cè)電阻值：根據(jù)公式 (R{SENSE} leq frac{V{ILIM}}{frac{N{S}}{N{P}} × 1.2 × I{OUTMAX}}) 選擇RSENSE的值，在本例中 (R{SENSE} leq 109mΩ)。
7. 計(jì)算輸出電感值：選擇電感值，使電感中的峰值紋波電流（LIR）在最大輸出電流的10%至20%之間。根據(jù)公式 (L geq frac{(V{OUT}+V{D}) × (1 - D{MIN})}{2 × LIR × 275kHz × I{OUTMAX}}) 計(jì)算，得出 (L geq 4.01μH)。
8. 選擇輸出電容：輸出濾波電容的大小和ESR決定了輸出紋波。選擇低ESR的電容，根據(jù)公式 (V{RIPPLE}=sqrt{V{RIPPLEESR}^{2}+V_{RIPPLEC}^{2}}) 計(jì)算峰 - 峰輸出紋波，其中 (VRIPPLE,ESR = IRIPPLE × ESR)，(VRIPPLE,C = IRIPPLE / (2 × π × 275kHz × COUT))。

五、布局建議

在進(jìn)行電路板布局時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 所有承載脈沖電流的連接必須盡可能短且寬，并以接地平面作為返回路徑。由于高頻開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中電流的高di/dt，這些連接的電感必須保持最小。
2. 分析任何布局中的電流環(huán)路，盡量減小內(nèi)部面積，以降低輻射EMI。
3. 接地平面應(yīng)盡量保持完整。

六、總結(jié)

MAX5019/MAX5020這兩款集成啟動(dòng)電路的電流模式PWM控制器，憑借其豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為電子工程師在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了優(yōu)秀的解決方案。通過(guò)深入了解其技術(shù)細(xì)節(jié)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，我們可以充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的電源系統(tǒng)。你在使用類似控制器進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)，遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。