探索MAX17681/MAX17681A：高效隔離降壓DC-DC轉換器的卓越之選

在電子設備的電源設計領域，一款性能出色的DC-DC轉換器是實現穩定、高效供電的關鍵。今天，我們就來深入探討Maxim Integrated推出的MAX17681/MAX17681A——一款高電壓、高效率的隔離降壓DC-DC轉換器，它能為我們帶來怎樣的驚喜呢？

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一、產品概述

MAX17681/MAX17681A專為提供高達5W的隔離電源而設計，可在4.5V至42V的寬輸入電壓范圍內穩定工作，并采用原邊反饋來調節輸出電壓。它采用峰值電流模式控制，片上低電阻MOSFET不僅確保了滿載時的高效率，還簡化了PCB布局。其中，MAX17681A在MAX17681的基礎上進行了增強設計，支持強大的副邊過流保護功能。該產品采用緊湊的10引腳（3mm x 2mm）TDFN封裝，還提供仿真模型，方便工程師進行設計和驗證。

二、應用領域

這款轉換器具有廣泛的應用場景，包括隔離現場總線接口、PLC I/O模塊、智能電表、醫療設備中的隔離電源以及浮動電源生成等。在這些應用中，MAX17681/MAX17681A能夠發揮其高效、穩定的特性，為設備提供可靠的電源支持。

三、產品特性與優勢

（一）減少外部組件和總成本

• 無需光耦：避免了光耦帶來的成本和復雜性，簡化了電路設計。
• 同步原邊操作：提高了電源轉換效率，減少了能量損耗。
• 全陶瓷電容，緊湊布局：陶瓷電容具有良好的穩定性和高頻特性，有助于實現緊湊的PCB布局，降低產品體積。

（二）減少DC-DC穩壓器庫存

• 寬輸入電壓范圍：4.5V至42V的輸入范圍，可適應多種電源環境，減少了對不同輸入電壓穩壓器的需求。
• 靈活的原邊輸出電壓：0.9V至0.96 x VIN的原邊輸出電壓，能夠滿足不同的應用需求。
• 高輸出功率：可提供高達5W的輸出功率，滿足大多數中小功率設備的供電需求。

（三）降低功耗

• 高效率：峰值效率超過90%，有效降低了能量損耗，提高了電源的轉換效率。
• 低關斷電流：典型關斷電流僅為0.9μA，在設備待機時能夠顯著降低功耗。

（四）惡劣工業環境下可靠運行

• 過流保護：具備峰值和灌電流限制保護，能夠有效保護設備免受過大電流的損害。
• 高精度反饋：±1.7%的反饋精度，確保輸出電壓的穩定性和準確性。
• 可編程使能/欠壓鎖定閾值：用戶可以根據實際需求設置使能和欠壓鎖定的閾值，提高了設備的靈活性和可靠性。
• 可調軟啟動：通過調節軟啟動時間，可以減少輸入浪涌電流，保護電源和設備。
• 過溫保護：當設備溫度過高時，自動關閉，防止設備因過熱而損壞。
• 寬工作溫度范圍：-40°C至+125°C的工作溫度范圍，能夠適應惡劣的工業環境。

（五）短路保護

• MAX17681A支持強大的副邊短路保護：在副邊出現短路時，能夠迅速響應，保護設備安全。因此，對于新設計，推薦使用MAX17681A。

四、電氣特性

在電氣特性方面，MAX17681/MAX17681A表現出色。例如，輸入電壓范圍為4.5V至42V，關斷模式下輸入電流僅為0.9μA至3.5μA，正常開關模式下無負載時輸入電流為1.95mA至2.8mA。此外，其開關頻率為186kHz至213kHz，能夠滿足大多數應用的需求。

五、引腳配置與功能

該產品的引腳配置清晰，每個引腳都有明確的功能。例如，PGND為電源地，VIN為開關調節器輸入，EN/UVLO為使能/欠壓檢測輸入，Vcc為內部LDO輸出，FB為輸出反饋連接，SS為軟啟動輸入，COMP為補償輸入，RESET為開漏復位輸出，GND為信號地，LX為開關節點。通過合理連接這些引腳，可以實現對轉換器的有效控制和調節。

六、詳細工作原理

（一）線性穩壓器（VCC）

內部線性穩壓器（VCC）為內部模塊和低邊MOSFET驅動器提供5V的標稱電源。VCC輸出應通過1μF陶瓷電容旁路到地，當VCC電壓低于3.7V（典型值）時，欠壓鎖定電路將禁用內部線性穩壓器。內部VCC線性穩壓器可提供高達40mA（典型值）的電流，為設備和低邊柵極驅動器供電。

（二）使能輸入（EN/UVLO）和軟啟動（SS）

當EN/UVLO電壓超過1.218V（典型值）時，設備啟動軟啟動序列，軟啟動時間取決于連接在SS引腳和地之間的電容值。一個5μA的電流源對電容充電，使SS引腳電壓上升，該電壓作為內部誤差放大器的參考，從而使輸出電壓從0單調增加到目標值。EN/UVLO還可用于調節輸入欠壓鎖定電平，通過外部電壓分壓器可以調整設備開啟或關閉的輸入電壓。當EN/UVLO引腳接地時，兩個功率MOSFET和其他內部電路將被禁用，輸入靜態電流降至0.9μA（典型值）。

（三）過流保護/HICCUP模式

MAX17681/MAX17681A具備過流保護功能，在過載和輸出短路情況下保護設備。逐周期峰值電流限制會在開關電流超過內部限制（典型值為1.65A）時關閉高邊MOSFET，灌電流限制會在低邊MOSFET負電流超過1.25A（典型值）時關閉低邊開關。高邊MOSFET電流的失控電流限制（典型值為1.7A）可在高輸入電壓和短路條件下保護設備。

MAX17681在出現一次失控電流限制或軟啟動完成后原邊輸出電壓降至標稱值的70.5%（典型值）時進入打嗝模式，此時轉換器會暫停開關操作32,768個時鐘周期，超時后再次嘗試軟啟動。而MAX17681A在檢測到16個連續的負電流限制事件后進入打嗝模式，在打嗝超時期間，原邊電容電壓會被主動放電，并對原邊和副邊輸出進行軟啟動，從而實現強大的副邊過流保護和過流消除后的平滑輸出電壓恢復。

（四）RESET輸出

設備包含一個RESET比較器，用于監測原邊輸出電壓。開漏RESET輸出需要一個外部上拉電阻，低電平時可吸收2mA電流。當原邊輸出電壓超過標稱調節電壓的95.5%后1024個開關周期，RESET變為高阻態；當原邊輸出電壓降至標稱調節電壓的92.5%以下時，RESET變為低電平。在MAX17681A中，當副邊輸出短路時，打嗝期間原邊輸出電壓也會放電，因此RESET可作為故障指示。此外，熱關斷時RESET也會變為低電平。

（五）熱過載保護

熱過載保護可限制設備的總功耗。當設備結溫超過+165°C時，片上熱傳感器會關閉設備，待結溫下降10°C后再次開啟。在正常運行時，需要仔細評估總功耗，以避免熱過載保護的誤觸發。

七、應用電路設計要點

（一）變壓器參數選擇

• 原邊輸出電壓選擇：原邊輸出電壓由MAX17681/MAX17681A控制環路調節，可通過公式(V{PRI}=D{MAX} × V_{INMIN })計算，其中(D{MAX})為轉換器的最大占空比，(V_{IN_MIN})為最小輸入電壓，理想的最大占空比范圍為0.4至0.6。
• 匝數比選擇：忽略二極管壓降、變壓器電阻和漏感，隔離降壓輸出電壓(V{OUT})與原邊輸出電壓(V{PRI})成正比，匝數比(K=frac{N{SEC}}{N{PRI}}=frac{V{OUT}+V{D}}{V_{PRI}})，可通過調整原邊輸出電壓來匹配現成變壓器的匝數比。
• 原邊電感選擇：原邊電感值決定了變壓器中的紋波電流，所需原邊電感可通過公式(L{PRI}=7 × V{PRI})計算，原邊紋波電流可通過公式(Delta I=frac{V{P R I} timesleft(1-frac{V{P R I}}{V{I N}}right)}{f{S W} × L_{P R I}})計算。
• 繞組峰值和RMS電流：需要根據公式計算原邊和副邊繞組的峰值和RMS電流，以選擇合適的隔離降壓變壓器。

（二）電容選擇

• 原邊輸出電容：工業應用中首選X7R陶瓷輸出電容，最小所需輸出電容可通過公式(C{PRI}=frac{I{HS _AVG } × D{MAX }}{f{SW} × 0.01 × V_{PRI}})計算。
• 副邊輸出電容：副邊電容在高邊開關導通時提供負載電流，支持1%穩態紋波所需的輸出電容可通過公式(C{OUT }=frac{I{OUT } × D{MAX }}{f{SW} × 0.01 × V_{OUT }})計算。同時，要注意陶瓷電容的直流偏置會導致電容值下降，需進行適當降額。
• 輸入電容：輸入電容可減少從電源汲取的峰值電流，降低開關電路引起的輸入噪聲和電壓紋波。所需輸入電容可通過公式(C{I N}=frac{I{H S _A V G} × D{M A X} timesleft(1-D{M A X}right)}{f{S W} × Delta V{I N}})計算，其中(Delta V_{IN})為輸入電壓紋波，通常為最小輸入電壓的2%。

（三）二極管選擇

副邊整流二極管應能夠承受副邊峰值電流和高邊開關導通時的反向電壓，建議選擇正向壓降較小的肖特基二極管，以實現更好的輸出電壓調節。二極管的峰值電流額定值為(PKDIODE {i}=frac{I{OUT }}{(1-D)})，峰值反向電壓額定值為(V{DIODE }=2 timesleft(left(V_{INMAX }-V{PRI}right) × K+V{OUT }right))，二極管的功耗可通過公式(P{DIODE }=V{D} × I{OUT })計算。

（四）最小負載要求

在輕載條件下，由于變壓器漏感和寄生電容的影響，隔離降壓轉換器的輸出電壓會過度升高。通常，10%至20%的滿載最小負載足以將轉換器輸出電壓調節在±5%以內。在測試原型后，應驗證輸出電壓調節情況?？墒褂么撾娮韬?a target="_blank">齊納二極管作為過壓保護電路，齊納二極管閾值可選擇比標稱調節輸出電壓(V_{OUT})高15%，串聯電阻值范圍為30Ω至60Ω。

（五）軟啟動電容選擇

MAX17681/MAX17681A實現了可調軟啟動操作，以減少浪涌電流。連接在SS引腳和地之間的電容可設置軟啟動時間，軟啟動時間(t{SS})與電容(C{SS})的關系為(C{SS}=5.55 × t{SS})，其中(t{SS})單位為毫秒，(C{SS})單位為納法。

（六）輸入欠壓鎖定電平設置

設備提供可調的輸入欠壓鎖定電平，可通過連接從(V{IN})到地的電阻分壓器來設置設備開啟的電壓，將分壓器的中心節點連接到EN/UVLO。選擇(R1)最大為3.3MΩ，然后根據公式(R 2=frac{R 1 × 1.218}{left(V{INU }-1.218right)})計算(R2)，其中(V_{INU})為設備所需開啟的電壓。

（七）外部環路補償

MAX17681/MAX17681A采用峰值電流模式控制方案，只需一個簡單的RC網絡即可實現穩定的控制環路。補償網絡的組件可通過以下公式計算：

• (R{COMP}=6000 × f{C} timesleft(C{OUT } times(1-D) × K^{2}+C{PRI}right) × V{PRI})，其中(R{COMP})單位為Ω，最大限制為12kΩ，(f_{C})為轉換器的帶寬，范圍為2kHz至10kHz。
• (C{COMP}=frac{5}{pi × f{C} × R_{COMP}})
• (C{P}=frac{1}{2 pi × 50000 × R{COMP }})

（八）功率損耗和結溫估算

在特定工作條件下，可通過公式(P{LOSS } =P{OUT } timesleft(frac{1}{eta}-1right)-left(I_{PRIRMS }^{2} × R{PRI}right)-left(I_{SECRMS }^{2} × R{SEC }right)-left(V{D} × I{OUT }right))估算導致設備溫度升高的功率損耗，其中(P{OUT })為輸出功率，(eta)為功率轉換效率，(R{PRI})為變壓器原邊電阻，(R{SEC})為變壓器副邊電阻，(V{D})為二極管壓降。設備的結溫(T{J})可通過公式(T{J}=T{A}+left(theta{JA} × P{LOSS}right))估算，其中(theta{JA})為封裝的結到環境熱阻。

（九）PCB布局指南

• 減小雜散電感和輻射EMI：所有承載脈沖電流的連接應盡可能短且寬，減小連接的環路面積，以降低雜散電感和輻射EMI。
• 合理放置電容和補償組件：陶瓷輸入濾波電容應靠近設備的(V_{IN})引腳，VCC引腳的旁路電容也應靠近VCC引腳。外部補償組件應靠近IC，遠離LX節點，反饋走線應盡量遠離LX節點。
• 分離信號和電源地：信號地和電源地應分開，在開關噪聲最小的點（通常是VCC旁路電容的返回端）連接，接地平面應盡可能保持連續。
• 提供散熱通道：在設備的暴露焊盤下方提供多個連接到大地平面的熱過孔，以實現高效散熱。

八、典型應用電路

文檔中給出了多個典型應用電路，如低剖面24V至24V、100mA隔離輸出應用電路，24V至±15V、75mA隔離輸出應用電路，以及24V至3.3V/80mA非隔離和±16V、65mA隔離輸出應用電路等。這些電路詳細列出了所需的組件型號和參數，為工程師提供了實際設計的參考。

九、總結

MAX17681/MAX17681A以其高效、穩定、可靠的性能，為電子設備的電源設計提供了優秀的解決方案。在實際應用中，工程師可以根據具體需求，合理選擇變壓器、電容、二極管等組件，優化電路設計，并遵循PCB布局指南，以確保設備的性能和可靠性。你在使用MAX17681/MAX17681A的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。