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干货：包含12V buck转换器的低成本用电设备完整方案
# Q! P' O% B4 L1 q6 F6 x O电路为完备的PD供电电路，具有一个DC-DC转换器，输出12V电压时可提供高达0.85A的电流。MAX5953A内置高边、低边功率开关FET，低边FET不能配置为同步整流二极管。因此，buck转换器仅使用高边FET。因为IC内部的限流电路工作时利用低边FET电流产生的压降，该电路不具备自动电流限制功能。启动时，保险丝F1提供短路保护。 / s7 R N" T! r- E3 O/ P! E
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图1. 包含一个12V、0.85A buck转换器的PD原理图
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MAX5953具有如下特性： - TVS二极管D1用于抑制瞬间尖峰电压和反向电压。
- 该电路根据输入电压不同工作在三种模式：PD侦测模式、PD分级模式和PD供电模式。使用或没有使用二极管电桥情况下的电压门限都符合IEEE 802.3af标准。
2 b, ]* S% K2 {1 C" ^, Z% e4 _+ c- 在PD侦测模式下，供电设备(PSE)在VIN施加两个1.4V至10.1V、最小步长为1V的电压，并记录这两点对应的电流测量值。PSE随后计算ΔV/ΔI，确认25.5kΩ的特征电阻R1是否存在。此模式下，MAX5953A的绝大部分内部电路是关断的，且偏置电流低于10μA。
- 在分级模式下，PSE根据PD的功耗要求对PD进行分级。电阻R2 (255Ω)通知PSE，PD将在最大功率为6.49W至12.95W的3级模式下工作。当电源进入供电模式时，分级电流关断。
- 当VIN上升到38V UVLO门限电压以上时，MAX5953A进入供电模式并逐渐打开内部MOSFET，抑制浪涌电流。
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- 完成开启过程，且VOUT - VEE = 1.23V时，PGOOD进入漏极开路模式。软启动电容C15由内部33μA的上拉电流充电，给DC-DC转换器提供软启动。通过设定分压电阻R6/R7和1.33V的DCUVLO的电压门限，DC-DC转换器在达到VOUT = -30V (相对于V+)以前没有开始工作。
- 因为3级功率限制最大功率为12.95W，当输出电压为12V、电源转换效率为80%时，负载电流限制在0.85A。
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热插拔电路说明UVLO的默认启动电压为38.6V，默认关断电压约为30V。利用V+和VEE间的分压电阻(中心抽头接在UVLO)可以将UVLO的启动、关断电压设置在12V至67V之间的任意值。 + ?4 U% k! n: T* x
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达到UVLO门限电压时，以10μA电流给FET栅极充电，内置FET将缓慢导通。缓慢的导通过程使100μF电容C6的充电电流最小。该电路中，OUT的热拔插输出电压以大约910mV/ms的速率下降，电压作用到输入端大约8ms后开始下降，见图2。
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图2. 热拔插启动和斜坡时序 % |& h2 k0 v# L0 H- I
CH1 = VSS, CH2 = VOUT DC-DC转换器是典型的buck转换器，使用内部高边FET和外部肖特基同步整流二极管。输入电压范围为30V (由DCUVLO的分压电阻设置)至60V，该范围对应的降压比为最小2.5:1至最大5:1，对应的占空比为20%至40%。开关频率由R4、C4设定为532kHz，以提供最小420ns的导通脉冲宽度，保持低开关损耗。 ) Q! S. P4 K$ Y1 E6 `0 y' J
) S8 |7 Z8 D/ Z# {软启动过程包括一下操作时序：限制OPTO反馈电压使其不要比CSS端电压高出1.45V，由内部33μA电流源给CSS端电容充电。PGOOD将CSS初始电压箝位至GND，而当OUT与VEE之间的差值小于1.2V时，热拔插功能完成，PGOOD释放。该过程允许启动时反馈信号缓慢上升，缓慢增大占空比可以避免输出过冲。启动时OPTO引脚的上升斜率体现了软启动特性(图3)，当VOPTO电压约为2V时，斜坡电压处于正常工作状态。图4所示为重载时的情况，图5所示为轻载时的工作情况。
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( J# a6 T' ~% B8 {/ h2 |图3. 软启动时序
( `5 }/ F2 O# ]CH1 = VOPTO, CH2 = VCSS; CSS = 470nF
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; l2 u6 p# }, z# s( |5 c& ]
8 @1 s) m) S# e% \9 p; x) Z图4. PWM通过OPTD的反馈电压与RAMP电压比较进行控制
/ |+ ]5 V9 z) |: c7 `9 {1 SCH1 = VOPTO, CH2 = VRAMP, ILOAD = 400mA 1 K/ g ]3 F- |. C/ R
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4 V" J$ D% K3 y( K+ D6 S图5. 低电流负载条件下，PWM斜坡电压与OPTO的反馈电压进行比较 ! m3 P1 K& g# U; w
CH1 = VOPTO, CH2 = VRAMP, ILOAD = 50mA / e# f) h" y4 U1 c; d
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控制器工作在电压模式，前馈电压斜率由R3和C3设定。OPTO信号与RAMP电压进行比较。 477nF的软启动电容(CSS)将过冲电压降至1%甚至更低，如图6所示。较小的CSS电容能够在一定程度上控制上电过程出现的输出电压过冲，如图7所示，当CSS = 100nF时，电压过冲达到7.7%。更小的CSS可加速启动过程，但却增大了上电时的输出电压过冲。
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图6. 启动过程的输出电压过冲
$ V4 j! v: J- c$ ?) gCH1 = VOUT, CH2 = VCSS, CSS = 470nF, RLOAD = 30Ω (IOUT = 400mA at 12V)，过冲电压 ≈ 0
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6 ]. N( k/ r- O# Q# n1 U图7. 启动过程的输出电压过冲 * N. p1 ]$ X1 O$ T1 m% j, \+ P
CSS = 100nF 虽然MAX5953内部集成有高边和低边FET，但低边FET只用于正激或反激电路中的变压器耦合隔离。高边、低边FET同时导通，电流检测通过检测低边FET的压降实现。因为没有使用低边FET，本电路没有电流检测功能。发生短路时，利用保险丝保护MAX5953和其内部调整管FET不受损坏。然而，一旦DC-DC转换器启动，保险丝的输出短路保护作用将很有限，因为保险丝的热迟滞可能导致通道上的器件损坏。 负载瞬变图8所示的负载瞬变情况发生在从1/2到满负荷的负载突变。在输出端接一个固定400mA的负载，并联一个400mA脉冲负载。如果负载从0mA跳至400mA时，负载电压在瞬间发生剧大变化，如图9；而图8所示情况负载电压突变较低，当负载电流高于50mA时几乎与直流负载无关。
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图8. 1/2到满负荷的负载跃变
" _9 J4 k! ]! l% o0 u; HCH1 = VOUT, CH2 = ![]() IOUT, 瞬变 = 1.2%, IOUT = 800mA ![]() 400mA ![]() 800mA
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0 c/ W5 d: c ^图9. 从0到1/2满负荷的负载跃变
: [$ }& `. [4 {: m9 [ }1 I( Y, s! cCH1 = VOUT, CH2 = ΔIOUT, 瞬变 = 5%至10%, IOUT = 400mA ![]() 0mA ![]() 400mA 转换效率介于负载电流为250mA时的71%至负载电流为1A时的80.5%。图10显示当850mA满负荷电流时，转换效率将大于80%。
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图10. VIN = 48V时的转换效率 电压模式控制环路存在两个极点：4.1kHz LCOUT (L1、C9)谐振频率，和一个由于COUT的低ESR产生的高于4MHz的零点。使用3类环路补偿可使单位增益带宽高于LCOUT的谐振频率。两个零点设置为2.1kHz (R9、C14)和4.1kHz (R11、C15)，补偿LCOUT的两个谐振极点，两极点置于20kHz (R9、C13)和125kHz (R10、C15)。从图11控制环路波特图可以看出，单位增益频率为19.4kHz，相位裕量为59°。
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. b* g" g: L2 I8 {, b; f图11. 环路波特图 这个简单的降压转换器非常适合PD应用，低成本的非变压器耦合结构，唯一的不足是短路情况下有可能出现保护失效。# n" f+ J2 `% x" y
# Z! L6 j* E/ N* ^( L7 Y" PMAX5953A材料清单 | Qty | Description | Designator | Part Number | | 1 | Capacitor, ceramic, X7R, 68nF, 10%,100V, 1206 | C1 | TDK C3216X7R2A683K Vishay VJ1206Y683KXB | | 1 | Capacitor, ceramic, X7R, 22uF, 20%,16V, 1812 | C10 | TDK C4532X7R1C226M | | 1 | Capacitor, ceramic, X7R, 1uF, 10%, 16V, 0805 | C11 | TDK C2012X7R1A105K | | 1 | Capacitor, ceramic, X7R, 2.2nF, 10%, 25V, 0805 | C12 | TDK C2012X7R2A222K Vishay VJ0805Y222KXX | | 1 | Capacitor, ceramic, X7R, 15nF, 10%, 25V, 0805 | C13 | TDK C2012X7R2A153K Vishay VJ0805Y153KXX | | 1 | Capacitor, ceramic, NPO, 150pF, 5%, 50V, 0603 | C14 | TDK C1608COG1H151J Vishay VJ0805Y151JXA | | 1 | Capacitor, ceramic, X7R, 470nF, 10%, 50V, 0805 | C15 | TDK C2012X7R2A474K Vishay VJ0805Y474KXA | | 1 | Capacitor, ceramic, X7R, 4.7nF, 10%, 25V, 0805 | C2 | TDK C2012X7R2A472K Vishay VJ0805Y472KXX | | 1 | Capacitor, ceramic, NPO, 100pF, 5%, 50V, 0603 | C3 | TDK C1608COG1H101J Vishay VJ0805Y101JXA | | 1 | Capacitor, ceramic, NPO, 39pF, 5%, 50V, 0603 | C4 | TDK C1608COG1H390J Vishay VJ0805Y390JXA | | 1 | Capacitor, ceramic, X7R, 1uF, 10%, 100V, 1210 | C5 | TDK C3225X7R2A105M | | 1 | Capacitor, al. elec., 100uF, 20%, 80V, SM 10 x 10mm | C6 | Panasonic EEV-FK1K1010 | | 1 | Capacitor, ceramic, X7R, 2.2uF, 20%, 100V, 1812 | C7 | TDK C4532X7R2A225M | | 1 | Capacitor, ceramic, X7R, 220nF, 10%, 50V, 0805 | C8 | TDK C2012X7R1H224K Vishay VJ0805Y224KXX | | 1 | Capacitor, ceramic, X7R, 2.2uF, 20%, 50V, 1210 | C9 | TDK C3225X7R1H225M | | 1 | Diode, TVS, 64V, SMA | D1 | Vishay SMAJ64A | | 1 | Diode Schottky 90V, 1A , SMB | D2 | ON Semi MBRS190T3 | | 1 | Fuse, 1/2A, 1206 | F1 | Littlefuse 0433.500 | | 1 | Inductor, 68uH, 1A, 10 x 10mm | L1 | TDK SLF10145T-680M1R2 | | 1 | Resistor, thin film, 25.5K, 1%, 0805 | R1 | | | 1 | Resistor, thin film, 14.3K, 1%, 0805 | R10 | | | 1 | Resistor, thin film, 4.99K, 1%, 0805 | R10 | | | 1 | Resistor, thin film, 402Ω, 1%, 0805 | R11 | | | 1 | Resistor, thin film, 17.4K, 1%, 0805 | R12 | | | 1 | Resistor, thin film, 2.00K, 1%, 0805 | R13 | | | 1 | Resistor, thin film, 255Ω, 1%, 1206 | R2 | | | 1 | Resistor, thin film, 210K, 1%, 0805 | R3 | | | 1 | Resistor, thin film, 28.0K, 1%, 0805 | R4 | | | 1 | Resistor, thin film, 3.9K, 5%, 0805 | R5 | | | 1 | Resistor, thin film, 316K, 1%, 0805 | R6 | | | 1 | Resistor, thin film, 14.7K, 1%, 0805 | R7 | | | 2 | Resistor, thin film, 10.0K, 1%, 0805 | R8 R9 | | | 1 | IC, Controller, Power device +DC/DC converter TQFN50P700X700X48-EP | U1 | MAX5953AUTM+ | | 1 | IC, Reference, 1.24V 1% SO-8 | U2 | TI TLV431ACDBV |
u: H* e u$ r* ?
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发表于 2020-1-3 08:00
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