揭秘MAX17693A/MAX17693B：高效無光耦隔離反激轉換器的卓越設計與應用

在電子工程師的日常工作中，尋找高效、穩定且設計簡單的電源解決方案至關重要。Maxim推出的MAX17693A/MAX17693B 4.2V - 60V無光耦隔離反激轉換器，憑借其諸多卓越特性，成為低中功率應用的理想之選。今天，我們就來深入探討這款轉換器的詳細信息。

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關鍵特性概述

MAX17693A/MAX17693B作為Rainier系列隔離電源設備的成員，具備高集成度和高性能，能助力打造更涼爽、更小且更簡單的電源解決方案。它采用固定頻率峰值電流模式控制，直接從初級側反激波形感應隔離輸出電壓，無需次級側誤差放大器和光耦合器，可節省多達20%的PCB空間。

高效集成

該轉換器集成了低導通電阻（RDSON）、76V、245mΩ的nMOSFET初級開關，工作電源范圍寬達4.2V - 60V，開關頻率可編程為100kHz - 350kHz。

功能豐富

它支持外部時鐘同步，可避免多轉換器系統中輸入總線上的低頻“拍頻”現象；具備可編程頻率抖動功能，實現低電磁干擾（EMI）、擴頻操作；支持輸出整流二極管正向壓降的溫度補償；MAX17693A內部補償確保環路穩定性，MAX17693B則提供外部環路補償的靈活性。

可靠保護

具備強大的打嗝保護和熱保護機制，能在惡劣環境下可靠工作，工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C，結溫范圍為 -40°C至 +150°C。

電氣特性分析

輸入特性

輸入電壓范圍為4.2V - 60V，輸入電源關斷電流低至2.5μA，無負載時輸入電源電流為0.95mA。

關鍵引腳參數

• EN/UVLO引腳：開啟閾值典型值為1.215V，關斷閾值典型值為1.1V，可精確控制電源轉換器的開啟和關閉。
• VCC引腳：線性穩壓器輸出電壓典型值為5.77V，具備電流限制和欠壓鎖定功能。
• RT引腳：用于設置開關頻率，默認頻率為200kHz，可通過連接電阻進行編程。
• SYNC/DITHER引腳：可實現頻率抖動或外部時鐘同步功能。

保護特性參數

• 過流保護：峰值電流限制典型值為0.543A，失控電流限制典型值為0.666A，打嗝超時周期為16384個時鐘周期。
• 熱關斷：熱關斷閾值為160°C，滯后為10°C。

關鍵設計要點

變壓器設計

MAX17693A/MAX17693B適用于不連續導通模式（DCM）反激轉換器，變壓器設計需選擇合適的磁化電感、匝數比和開關頻率，以滿足內部采樣算法要求。

匝數比選擇

最小匝數比 (K{MIN}) 受集成nMOSFET最大工作電壓（76V）限制，計算公式為： [K{MIN }=frac{left(1+K{S}right) timesleft(V{OUT }+V{D}right)}{76-V{INMAX }}] 其中，(K{S}) 為泄漏電感電壓尖峰的鉗位系數，(V{OUT}) 為輸出電壓，(V{D}) 為輸出二極管正向壓降，(V{INMAX}) 為最大輸入電壓。

磁化電感計算

磁化電感需滿足最小關斷時間和最小導通時間要求，計算公式分別為： [L_{MAGTOFF }=480 × 10^{-9} × frac{left(V{OUT }+V{D}right)}{0.07 × K}] [L{MAGTON }=frac{210 × 10^{-9}}{0.117} × V{INMAX }] 最終選擇的磁化電感應大于 (L_{MAGTOFF}) 和 (L{MAG_TON})。

開關頻率確定

為確保DCM操作，開關頻率應根據不同情況進行選擇，如未使用SYNC/DITHER功能時，標稱開關頻率 (f{SWRT}) 應小于等于1.06 (f{SWDCM})，其中 (f{SWDCM}) 為轉換器在所有工作條件下保持DCM的最大開關頻率，計算公式為： [f{SWDCM }=frac{left(D{VINMIN } × V{INMIN }right)^{2} × eta}{2 × V{OUT } timesleft(I{OUT }+I_{COUTSS }right) × L{MAG } times(1+ TOL )}] 其中，(D{VINMIN}) 為最小輸入電壓下的最大占空比，(eta) 為轉換器目標效率，(I{COUTSS}) 為軟啟動期間輸出電容充電電流，(L{MAG}) 為磁化電感，(TOL) 為磁化電感公差。

元件選擇

二次整流器

應選擇反向阻斷電壓有足夠余量的肖特基二極管，其反向電壓計算公式為： [V_{SECRECT }=K{RSF} timesleft(K × V{INMAX }+V{OUT }right)] 其中，(K_{RSF}) 為安全系數，建議取值范圍為1.5 - 2。

溫度補償電阻（RTC/VCM）

為補償輸出二極管正向電壓的負溫度系數對輸出電壓的影響，需選擇合適的 (R{TC / VCM}) 電阻。首先根據開關頻率從表中選擇因子 (m{f})，計算共模電壓設置 (K{VCM})： [K{VCM}=m{f} × L{MAG} × I{PEAKDCM }-SS] 然后根據 (K{VCM}) 的大小選擇不同的公式計算 (R_{TC / VCM})。

SET和FB電阻

(R{SET}) 應設置為10kΩ，當不需要溫度補償時，反饋電阻 (R{FB}) 計算公式為： [R{FB}=frac{R{SET}}{V{SET}} × frac{V{OUT}+V{D}}{K}] 當需要溫度補償時，根據 (K{VCM}) 的大小選擇不同的公式計算 (R_{FB})。

輸入和輸出電容

輸入電容應選擇低等效串聯電阻（ESR）、高紋波電流能力的陶瓷電容，計算公式為： [C{IN} geq frac{I{PEAKDCM } × D{VINMIN } timesleft(1-frac{D{VINMIN }}{2}right)^{2}}{2 × 0.94 × f{SWRT} × Delta V{IN}}] 輸出電容應選擇溫度穩定性好的X7R陶瓷電容，其容量需根據不同需求（如穩定性、紋波、負載階躍響應）進行計算，取最大值。

環路補償（僅MAX17693B）

MAX17693B通過COMP引腳的外部頻率補償網絡進行補償，補償值計算公式如下： [R{Z}=8180 timesleft(frac{f{C}}{f{P}}right) × sqrt{frac{V{OUT } × I{OUT }}{2 × L{MAG} × f{SWRT }}}] [C{Z}=frac{1}{2 pi × R{Z} × f{P}}] [C{P}=frac{1}{pi × R{Z} × f{SWRT}}] 其中，(f{P}=frac{1}{pi × frac{V{OUT }}{I{OUT }} × C{OUT }})，(C{OUT}) 為輸出電容。

電壓鉗位設計

為限制集成nMOSFET的漏源電壓應力，需使用外部鉗位電路，鉗位電壓應滿足： [V{ClAMP }<76-V{INMAX }] 可使用簡單的齊納二極管（ZD）鉗位電路，ZD擊穿電壓應比 (V_{CLAMP}) 低5V - 10V。對于LX節點振鈴問題，可添加RC緩沖器進行阻尼。

設計實例

以一個工業應用為例，輸入電壓范圍為18V - 36V，輸出電壓為5V，負載電流為0.25A。

匝數比選擇

計算最小匝數比 (K{MIN}) 為0.3，最終選擇 (K = 0.45)，最大占空比 (D{MAX}) 為0.4，小于最大占空比限制（0.65），因此 (D_{VINMIN } = 0.4)。

磁化電感和開關頻率確定

計算得到 (L_{MAGTON } = 64.6μH)，(L{MAGTOFF } = 82.3μH)，選擇磁化電感 (L{MAG} = 100μH)，允許 ±10% 公差。計算 (f{SWDCM} = 160kHz)，選擇 (f{SWRT} = 150kHz)，計算 (R_{RT} = 66.6kΩ)，選擇標準電阻66.5kΩ。

元件選擇

• 輸出電容：計算得到 (C{OUT} = 19.7μF)（根據穩定性），(C{OUT} (Ripple) ≥ 20.7μF)（根據紋波），最終選擇47μF、10V、1210陶瓷電容。
• 軟啟動時間：選擇20ms軟啟動時間，計算得到 (I{COUT - SS } = 6.25mA)，(I{PEAKDCM - SS } = 0.482A)，小于最小峰值電流限制（0.495A）。
• 二次二極管：計算得到 (V_{SEC_RECT } = 31.8V)，選擇SBR3U40P1。
• RTC/VCM電阻：計算得到 (K{VCM} = 2.82)，(R{TC / VCM} = 77.8kΩ)，選擇標準電阻76.8kΩ。
• RSET、RFB電阻：計算得到 (R_{FB} = 131kΩ)，選擇標準電阻127kΩ。
• 輸入電容：計算得到 (C_{IN} ≥ 0.58μF)，選擇4.7μF、50V、0805陶瓷電容。

環路補償（僅MAX17693B）

計算得到 (f{P} = 637Hz)，(R{Z} = 26.2kΩ)，選擇標準電阻24.3kΩ；(C{Z} = 10.3nF)，選擇標準10nF電容；(C{P} = 87pF)，選擇標準100pF電容。

PCB布局指南

• 盡量減小脈沖電流路徑的環路面積，特別是從 (V_{IN}) 旁路電容通過初級側繞組和內部nMOSFET開關的高頻電流路徑。
• (V{CC}) 旁路電容應直接跨接在IC的 (V{CC}) 和GND引腳。
• (V_{IN}) 和GND引腳之間應連接旁路電容，并靠近IC放置。
• IC的暴露焊盤應直接連接到IC的GND引腳。
• 模擬小信號地和開關電流的功率地應分開，在開關活動最小的點（通常是 (V_{CC}) 旁路電容的返回端）連接。
• 盡量減小 (R_{FB}) 電阻的走線長度。

總結

MAX17693A/MAX17693B無光耦隔離反激轉換器憑借其高效、集成度高、功能豐富等優點，為電子工程師提供了優秀的電源解決方案。在設計過程中，合理選擇變壓器參數、元件值，并遵循PCB布局指南，能夠確保轉換器穩定、高效地工作。各位工程師在實際應用中，不妨根據具體需求，充分發揮這款轉換器的優勢，打造出更出色的電源設計。