探索MAX17691A/MAX17691B：高效無光耦隔離反激式轉換器的卓越性能與設計要點

在電子工程領域，電源設計一直是至關重要的環節。對于低中功率應用而言，反激式轉換器因其簡單性和低成本而備受青睞。然而，在隔離應用中，傳統的光耦和次級側誤差放大器會增加設計的復雜性和成本。今天，我們將深入探討Maxim的MAX17691A/MAX17691B，這是一款具有創新性的4.2V - 60V無光耦隔離反激式轉換器，集成了FET，為電源設計帶來了全新的解決方案。

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產品概述

MAX17691A/MAX17691B屬于Maxim的Rainier系列隔離電源設備，旨在實現更涼爽、更小巧、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中感應隔離輸出電壓，無需次級側誤差放大器和光耦，可節省多達20%的PCB空間。

關鍵特性

• 寬輸入電壓范圍：支持4.2V - 60V的輸入電壓，適用于各種電源環境。
• 集成nMOSFET：具有低RDSON（76V、170mΩ）的集成nMOSFET初級開關，提高了效率。
• 可編程開關頻率：開關頻率可在100kHz - 350kHz之間編程，靈活性高。
• 多種保護功能：具備輸入過壓保護、軟啟動、打嗝保護和熱保護等功能，確保設備的可靠性。
• 低EMI設計：支持頻率抖動和外部時鐘同步，降低電磁干擾。
• 溫度補償：可對輸出整流二極管的正向電壓降進行溫度補償，提高輸出電壓的穩定性。

工作原理

無光耦反激操作

MAX17691A/MAX17691B通過內置算法在次級二極管導通期間感應LX引腳電壓，利用內部差分放大器生成與次級繞組電壓成比例的電流，從而實現對輸出電壓的采樣和調節。這種方法減少了變壓器寄生元件和二極管正向電壓對輸出電壓調節的影響。

電源電壓和LDO輸出

該轉換器支持4.2V - 60V的寬輸入電壓范圍，內部LDO輸出電壓為5.77V（典型值）。在高輸入電壓應用中，可通過額外的輔助繞組對VCC進行過驅動，以提高系統效率。

使能/欠壓鎖定和過壓保護

EN/UVLO引腳用于控制轉換器的開關操作，當引腳電壓超過1.215V（典型值）時，轉換器開始工作；當電壓低于1.1V（典型值）時，轉換器停止工作。MAX17691A還具有輸入過壓保護功能，當OVI引腳電壓超過1.215V（典型值）時，設備停止開關。

軟啟動時間

軟啟動功能可減少啟動時的輸入浪涌電流，默認軟啟動時間為5ms（典型值），也可通過連接電容來編程軟啟動時間。

開關頻率和外部時鐘同步

開關頻率可通過連接電阻RRT在100kHz - 350kHz之間編程，默認開關頻率為200kHz。SYNC/DITHER引腳可用于頻率抖動或外部時鐘同步，頻率抖動可降低電磁干擾，外部時鐘同步可避免多轉換器系統中的低頻“拍頻”現象。

設計要點

變壓器設計

變壓器設計是反激式轉換器設計的關鍵環節。需要選擇合適的磁化電感和變壓器匝數比，以滿足MAX17691A/MAX17691B的內部采樣算法要求。具體步驟包括計算次級與初級匝數比K、確定最大占空比、計算初級磁化電感LMAG等。

元件選擇

• 次級整流器：選擇具有足夠反向阻斷電壓和低正向電壓降的整流器，如肖特基二極管或nMOSFET。
• 溫度補償電阻：根據開關頻率和輸出電壓等參數選擇合適的溫度補償電阻RTC/VCM，以補償輸出二極管正向電壓的溫度變化。
• SET和FB電阻：根據輸出電壓和匝數比等參數計算SET和FB電阻的值，確保輸出電壓的準確性。
• 輸入和輸出電容：選擇具有低ESR和高紋波電流能力的電容，以減少輸入和輸出電壓的紋波。

環路補償（僅MAX17691B）

MAX17691B提供了外部環路補償的靈活性，可根據系統需求調整環路補償網絡，以提高轉換器的穩定性和動態響應。

電壓鉗位設計

為了限制集成nMOSFET的電壓應力，需要設計外部電壓鉗位電路，如Zener二極管鉗位電路。對于存在LX節點振蕩的情況，還需要添加RC緩沖器來阻尼振蕩。

熱考慮

確保設備在所有工作條件下的結溫不超過+125°C，可通過計算總功率損耗和結溫上升來評估熱性能，并采取適當的散熱措施。

設計示例

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1.5A。通過詳細的計算和元件選擇，展示了如何設計一個基于MAX17691A/MAX17691B的反激式轉換器。

匝數比選擇

計算最小匝數比KMIN，并根據最大占空比的限制確定最終的匝數比K。

磁化電感和開關頻率

計算最小磁化電感LMAG，并選擇合適的開關頻率fSWRT。

輸出電容選擇

根據目標帶寬和輸出紋波要求選擇合適的輸出電容。

軟啟動時間選擇

選擇5ms的軟啟動時間，并計算軟啟動期間的輸出電容充電電流和初級峰值電流。

次級二極管選擇

選擇具有合適反向電壓和電流額定值的次級二極管。

RTC/VCM電阻選擇

根據開關頻率和輸出電壓計算KVCM，并選擇合適的RTC/VCM電阻。

RSET和RFB電阻選擇

根據KVCM和其他參數計算RSET和RFB電阻的值。

輸入電容選擇

根據輸入電壓紋波要求選擇合適的輸入電容。

環路補償（僅MAX17691B）

計算MAX17691B的環路補償值，包括RZ、CZ和CP。

PCB布局指南

良好的PCB布局對于實現干凈、穩定的操作至關重要。以下是一些PCB布局的指導原則：

• 盡量減小脈沖電流路徑的環路面積，特別是高頻電流路徑。
• 在IC的VCC和GND引腳之間連接旁路電容。
• 在VIN和GND引腳之間連接旁路電容，并將其靠近IC放置。
• 將IC的暴露焊盤直接連接到GND引腳。
• 分離模擬小信號地和開關電流的功率地，并在開關活動最小的點連接。
• 盡量減小RFB電阻的走線長度。

總結

MAX17691A/MAX17691B是一款功能強大的無光耦隔離反激式轉換器，具有高效、緊湊、可靠等優點。通過合理的設計和布局，可以充分發揮其性能，滿足各種低中功率隔離電源應用的需求。在實際設計中，要根據具體的應用場景和要求，仔細選擇元件和參數，確保轉換器的穩定性和可靠性。你在使用類似的轉換器時遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。