低成本用電設備完整方案含12V buck轉換器、PD供電電路

如圖1所示電路為完備的PD供電電路,具有一個DC-DC轉換器,輸出12V電壓時可提供高達0.85A的電流。MAX5953A內置高邊、低邊功率開關FET,低邊FET不能配置為同步整流二極管。因此,buck轉換器僅使用高邊FET。因為IC內部的限流電路工作時利用低邊FET電流產生的壓降,該電路不具備自動電流限制功能。啟動時,保險絲F1提供短路保護。

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??? MAX5953具有如下特性：

??? 1.TVS二極管D1用于抑制瞬間尖峰電壓和反向電壓。

??? 2.該電路根據輸入電壓不同工作在三種模式：PD偵測模式、PD分級模式和PD供電模式。使用或沒有使用二極管電橋情況下的電壓門限都符合IEEE 802.3af標準。

??? ·在PD偵測模式下,供電設備(PSE)在VIN施加兩個1.4V至10.1V、最小步長為1V的電壓,并記錄這兩點對應的電流測量值。PSE隨后計算V/I,確認25.5k的特征電阻R1是否存在。此模式下,MAX5953A的絕大部分內部電路是關斷的,且偏置電流低于10μA。

??? ·在分級模式下,PSE根據PD的功耗要求對PD進行分級。電阻R2 (255)通知PSE,PD將在最大功率為6.49W至12.95W的3級模式下工作。當電源進入供電模式時,分級電流關斷。

??? ·當VIN上升到38V UVLO門限電壓以上時,MAX5953A進入供電模式并逐漸打開內部MOSFET,抑制浪涌電流。

??? 3.完成開啟過程,且VOUT - VEE = 1.23V時,PGOOD進入漏極開路模式。軟啟動電容C15由內部33μA的上拉電流充電,給DC-DC轉換器提供軟啟動。通過設定分壓電阻R6/R7和1.33V的DCUVLO的電壓門限,DC-DC轉換器在達到VOUT = -30V (相對于V+)以前沒有開始工作。

??? 4.因為3級功率限制最大功率為12.95W,當輸出電壓為12V、電源轉換效率為80%時,負載電流限制在0.85A。

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??? 熱插拔電路說明

??? UVLO的默認啟動電壓為38.6V,默認關斷電壓約為30V。利用V+和VEE間的分壓電阻(中心抽頭接在UVLO)可以將UVLO的啟動、關斷電壓設置在12V至67V之間的任意值。

??? 達到UVLO門限電壓時,以10μA電流給FET柵極充電,內置FET將緩慢導通。緩慢的導通過程使100μF電容C6的充電電流最小。該電路中,OUT的熱拔插輸出電壓以大約910mV/ms的速率下降,電壓作用到輸入端大約8ms后開始下降,見圖2。?

??? PWM電路說明

??? DC-DC轉換器是典型的buck轉換器,使用內部高邊FET和外部肖特基同步整流二極管。輸入電壓范圍為30V (由DCUVLO的分壓電阻設置)至60V,該范圍對應的降壓比為最小2.5:1至最大5:1,對應的占空比為20%至40%。開關頻率由R4、C4設定為532kHz,以提供最小420ns的導通脈沖寬度,保持低開關損耗。

??? 軟啟動過程包括一下操作時序：限制OPTO反饋電壓使其不要比CSS端電壓高出1.45V,由內部33μA電流源給CSS端電容充電。PGOOD將CSS初始電壓箝位至GND,而當OUT與VEE之間的差值小于1.2V時,熱拔插功能完成,PGOOD釋放。該過程允許啟動時反饋信號緩慢上升,緩慢增大占空比可以避免輸出過沖。啟動時OPTO引腳的上升斜率體現了軟啟動特性(圖3),當VOPTO電壓約為2V時,斜坡電壓處于正常工作狀態。圖4所示為重載時的情況,圖5所示為輕載時的工作情況。?

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??? 控制器工作在電壓模式,前饋電壓斜率由R3和C3設定。OPTO信號與RAMP電壓進行比較。

??? 啟動時的輸出電壓過沖

??? 477nF的軟啟動電容(CSS)將過沖電壓降至1%甚至更低,如圖6所示。較小的CSS電容能夠在一定程度上控制上電過程出現的輸出電壓過沖,如圖7所示,當CSS = 100nF時,電壓過沖達到7.7%。更小的CSS可加速啟動過程,但卻增大了上電時的輸出電壓過沖。?

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??? 電流限制

??? 雖然MAX5953內部集成有高邊和低邊FET,但低邊FET只用于正激或反激電路中的變壓器耦合隔離。高邊、低邊FET同時導通,電流檢測通過檢測低邊FET的壓降實現。因為沒有使用低邊FET,本電路沒有電流檢測功能。發生短路時,利用保險絲保護MAX5953和其內部調整管FET不受損壞。然而,一旦DC-DC轉換器啟動,保險絲的輸出短路保護作用將很有限,因為保險絲的熱遲滯可能導致通道上的器件損壞。

??? 負載瞬變

??? 圖8所示的負載瞬變情況發生在從1/2到滿負荷的負載突變。在輸出端接一個固定400mA的負載,并聯一個400mA脈沖負載。如果負載從0mA跳至400mA時,負載電壓在瞬間發生劇大變化,如圖9;而圖8所示情況負載電壓突變較低,當負載電流高于50mA時幾乎與直流負載無關。

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??? 轉換效率

??? 轉換效率介于負載電流為250mA時的71%至負載電流為1A時的80.5%。圖10顯示當850mA滿負荷電流時,轉換效率將大于80%。?

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??? 環路穩定性

??? 電壓模式控制環路存在兩個極點：4.1kHz LCOUT (L1、C9)諧振頻率,和一個由于COUT的低ESR產生的高于4MHz的零點。使用3類環路補償可使單位增益帶寬高于LCOUT的諧振頻率。兩個零點設置為2.1kHz (R9、C14)和4.1kHz (R11、C15),補償LCOUT的兩個諧振極點,兩極點置于20kHz (R9、C13)和125kHz (R10、C15)。從圖11控制環路波特圖可以看出,單位增益頻率為19.4kHz,相位裕量為59°。

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??? 應用

??? 這個簡單的降壓轉換器非常適合PD應用,低成本的非變壓器耦合結構,唯一的不足是短路情況下有可能出現保護失效。