MAX17690：60V無光耦隔離反激控制器的深度解析

一、引言

在電子設計領域，電源管理芯片的性能和特性對于整個系統的穩定性和效率至關重要。MAX17690作為一款專門為隔離反激拓撲設計的控制器，在諸多應用場景中展現出了獨特的優勢。本文將深入剖析MAX17690的特點、工作原理、參數計算以及應用設計，為電子工程師在實際設計中提供全面的參考。

文件下載：MAX17690.pdf

二、MAX17690概述

2.1 主要特性

• 寬輸入電壓范圍：支持4.5V至60V的輸入電壓，能適應多種電源環境。
• 無光耦或輔助繞組：可直接從初級側反激波形感應隔離輸出電壓，無需光耦或輔助繞組進行輸出電壓調節，簡化了電路設計。
• 高驅動能力：具備2A/4A的峰值源/灌電流，能夠快速驅動低RDS(ON)功率MOSFET，實現快速的柵極轉換時間。
• 可編程特性：開關頻率可在50kHz至250kHz之間編程，還具有可編程軟啟動功能，可有效限制啟動時的浪涌電流。
• 保護功能豐富：擁有輸入過壓保護、打嗝模式短路保護和熱關斷保護等多種保護機制，提高了系統的可靠性。

2.2 應用領域

• 隔離反激轉換器
• 寬范圍直流輸入隔離電源
• 工業和電信應用
• PLC I/O模塊

三、關鍵參數與特性分析

3.1 絕對最大額定值

了解芯片的絕對最大額定值對于確保其安全可靠運行至關重要。MAX17690的一些關鍵絕對最大額定值如下：

• INTVCC至SGND：0.3V至 +16V
• VIN、EN/UVLO至SGND：3V至 +70V
• 工作溫度范圍： -40°C至 +125°C

3.2 電氣特性

• 輸入電壓：輸入電壓范圍為4.5V至60V，在不同工作模式下，輸入電流有所不同。例如，在關機模式下（VEN/UVLO = 0V），輸入電源關機電流為2.5 - 4μA；當VIN = 60V時，輸入開關電流為1.8mA。
• 使能（EN/UVLO）：EN/UVLO引腳用于精確控制電源的開啟和關閉。當該引腳電壓上升超過1.215V（典型值）時，芯片開始切換；當電壓下降低于1.1V（典型值）時，芯片停止切換。
• INTVCC LDO：LDO輸出電壓典型值為7V，輸出電流范圍為1mA至25mA，具有一定的電流限制和欠壓鎖定功能。
• NDRV：NDRV引腳的開關頻率范圍為50kHz至250kHz，開關頻率精度為±6%，最大占空比為66 - 71%，還具有最小導通時間和最小關斷時間等特性。

3.3 典型工作特性

通過典型工作特性曲線可以直觀地了解芯片在不同條件下的性能表現。例如，效率與負載電流的關系曲線顯示了在不同輸入電壓下，隨著負載電流的增加，效率的變化情況；輸出電壓與負載電流、溫度的關系曲線則反映了輸出電壓的穩定性。

四、引腳功能與電路設計

4.1 引腳功能

MAX17690共有16個引腳，每個引腳都有其特定的功能：

• OVI：用于設置輸入過壓閾值，當該引腳電壓超過1.215V（典型值）時，芯片停止切換。
• EN/UVLO：使能/欠壓鎖定引腳，通過連接電阻分壓器來設置輸入開啟閾值。
• VIN：輸入電源電壓引腳，輸入電壓范圍為4.5V至60V，需連接至少1μF的陶瓷電容到SGND。
• FB：反饋輸入引腳，用于感應反激期間的反射輸出電壓。
• SET：連接10kΩ電阻到SGND，為芯片提供外部接地參考。
• TC：用于輸出電壓溫度補償，通過連接電阻RTC到SGND來設置溫度補償。
• VCM：內部零電流檢測器塊的共模電壓選擇器，需連接電阻RVCM到SGND。
• RIN：與VIN成比例的電流流經該引腳連接的電阻RRIN。
• COMP：誤差放大器輸出引腳，需連接頻率補償網絡到SGND。
• SS：軟啟動引腳，通過連接電容CSS到SGND來編程軟啟動時間。
• RT：開關頻率編程電阻引腳，連接電阻RRT到SGND來設置PWM開關頻率。
• SGND：信號接地引腳。
• CS：電流檢測輸入引腳，用于設置峰值電流限制。
• PGND：功率接地引腳。
• NDRV：驅動器輸出引腳，連接到外部MOSFET柵極。
• INTVCC：線性穩壓器輸出和驅動器輸入引腳，需連接至少2.2μF的旁路電容到PGND。

4.2 電路設計要點

• 電源電壓：芯片支持4.5V至60V的寬輸入電壓范圍，VIN引腳應直接連接到輸入電源，并在VIN引腳和SGND之間連接至少1μF的陶瓷電容，以確保穩定運行。
• EN/UVLO和OVI：通過電阻分壓器可以設置EN/UVLO引腳的電壓，從而控制芯片的啟動和停止。同時，通過添加額外的電阻ROVI，可以實現輸入過壓保護功能。
• INTVCC：VIN為內部LDO供電，LDO輸出電壓典型值為7V。在高輸入電壓應用中，可使用額外的繞組來驅動INTVCC，以提高系統效率。
• 軟啟動時間編程：通過在SS引腳和SGND之間連接電容CSS，可以編程軟啟動時間。內部產生的5μA精確電流源對軟啟動電容充電，軟啟動功能可減少啟動時的輸入浪涌電流。
• 開關頻率編程：通過在RT引腳和SGND之間連接電阻RRT，可以在50kHz至250kHz之間編程開關頻率。根據設計要求，可選擇合適的開關頻率，并通過公式計算RRT的值。

五、變壓器與元件選擇

5.1 變壓器選擇

由于MAX17690基于反激轉換器推薦工作在不連續導通模式（DCM），可根據以下公式確定變壓器的磁化電感LMAG： [L{MAG}=frac{0.5timesetatimes(V{IN MIN}times D{MAX})^2}{V{OUT}times I{OUT}times f{SW}}] 其中，VOUT為期望輸出電壓，IOUT為期望輸出電流，DMAX為最大占空比，η為轉換器目標效率，fSW為開關頻率。

同時，還需計算變壓器的匝數比K： [K=frac{N{S}}{N{P}}=frac{0.8times(V{OUT}+V{D})times(1 - D)}{V_{IN MIN}times D}]

5.2 元件選擇

• 輸入電容：輸入濾波電容可減少從電源汲取的峰值電流，降低轉換器開關引起的輸入總線噪聲和電壓紋波。應選擇低ESR、高紋波電流能力的陶瓷電容，如X7R電容?？筛鶕接嬎爿斎腚娙葜担?[C{IN}geqfrac{I{LIM}times Dtimes(1 - frac{D}{2})^2}{2times f{SW}timesDelta V{IN}}]
• 輸出電容：在工業應用中，首選X7R陶瓷輸出電容。根據目標輸出紋波和負載階躍情況，可分別計算所需的輸出電容值： [C_{OUTRIPPLE}geqfrac{I{OUT}times(I{LIM}-Ktimes I{OUT})^2}{I{LIM}^2times f{SW}times V{OUTRIPP}}] [C{OUTSTEP}=frac{I{STEP}times t{RESPONSE}}{2timesDelta V{OUT}}] 最終應選擇較大的輸出電容值。
• 初級MOSFET：MOSFET的選擇需考慮最大漏極電壓、初級峰值/均方根電流、導通電阻、總柵極電荷、寄生電容和最大允許功耗等因素。可根據公式計算MOSFET的最大漏極電壓： [V{DSMAX}=V{IN MAX}+2.5timesfrac{(V{OUT}+V{D})}{K}]
• 次級二極管：次級二極管的反向阻斷電壓應能承受輸出電壓和反射初級電壓的總和，并留有一定的余量。應選擇正向電壓降小、恢復時間快的二極管，如快速恢復二極管或肖特基二極管。
• RCD和RC緩沖電路：為了限制MOSFET漏極的過電壓和振鈴，可使用RCD和RC緩沖電路。通過一系列公式可計算緩沖電路的元件值。

六、設計實例

以一個工業應用為例，輸入電壓范圍為18V至36V，輸出電壓為5V，負載電流為1A，進行MAX17690的設計計算：

1. 占空比選擇：根據公式計算最大占空比DMAX為0.5。
2. 開關頻率：計算最大可能的開關頻率fSW ≤ 180kHz，選擇180kHz作為開關頻率，并計算RRT的值為27.4kΩ。
3. 變壓器磁化電感和匝數比：計算變壓器磁化電感LMAG為36μH，匝數比K為1:0.222。
4. 電流檢測電阻選擇：計算變壓器初級峰值電流LIM為1.38A，選擇RCS為56mΩ。
5. 最小導通時間和最小關斷時間計算：計算得到最小導通時間tON MIN為357ns，最小關斷時間tOFF MIN為565ns，均滿足芯片要求。
6. 次級二極管選擇：計算次級二極管的最大反向電壓為19.38V，選擇SBR8U60P5作為次級二極管。
7. RIN、RFB和RSET電阻選擇：計算RFB為255kΩ，RIN為150kΩ。
8. 溫度補償：選擇RTC為100kΩ進行溫度補償。
9. 軟啟動電容選擇：選擇47nF的電容作為軟啟動電容。
10. RVCM電阻選擇：計算KC為92.6，選擇RVCM為121kΩ。
11. MOSFET選擇：計算MOSFET的最大漏極電壓為96.2V，選擇SIR698DP-T1-GE3作為初級MOSFET。
12. 輸出電容選擇：計算輸出電容為78μF，選擇兩個100μF、6.3V、1210的電容。
13. 環路補償：計算環路補償值，選擇標準電阻4.42kΩ、電容47nF和470pF。
14. 輸入電容選擇：計算輸入電容為2.25μF，選擇兩個4.7μF、50V、1210的電容。

七、PCB布局指南

• 盡量減小承載脈沖電流路徑的環路面積，特別是初級側繞組、MOSFET開關和檢測電阻的高頻電流路徑，以及MOSFET柵極開關的高頻電流路徑。
• INTVCC旁路電容應直接連接在IC的INTVCC和PGND引腳之間。
• 在VIN和SGND引腳之間連接旁路電容，并將其放置在靠近IC的位置。
• IC的暴露焊盤應直接連接到SGND引腳，并通過熱過孔連接到其他層的SGND平面，以實現良好的散熱。
• 盡量縮短RFB電阻的走線長度。
• INTVCC電容和SGND平面的PGND連接應在電流檢測電阻的負端進行星形連接。

八、總結

MAX17690作為一款高性能的60V無光耦隔離反激控制器，具有寬輸入電壓范圍、豐富的保護功能和可編程特性等優勢。通過合理選擇變壓器和元件，以及遵循PCB布局指南，可以設計出穩定、高效的電源系統。在實際應用中，電子工程師應根據具體需求進行參數計算和電路設計，以充分發揮MAX17690的性能。你在使用MAX17690進行設計時，是否遇到過一些棘手的問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。