探索MAX5019/MAX5020：集成啟動電路的電流模式PWM控制器

在電子工程師的日常工作中，設計高效、穩定的電源供應器是一項至關重要的任務。MAX5019/MAX5020這兩款集成啟動電路的電流模式PWM控制器，為我們在電源設計方面提供了強大的支持。今天，我就和大家詳細探討一下這兩款控制器的特點、應用以及設計要點。

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一、產品概述

MAX5019/MAX5020集成了實現DC - DC固定頻率電源所需的所有組件。無論是采用原邊還是副邊調節，都能實現隔離或非隔離電源。它們是電流模式控制器，集成了適用于電信/工業電壓范圍電源的高壓啟動電路。

關鍵特性

1. 寬輸入范圍：支持(18V至110V)或(13V至36V)的輸入電壓，能適應多種不同的電源環境。
2. 隔離或非隔離電源：可實現無光電耦合器的隔離電源或非隔離電源，為設計提供了更多的靈活性。
3. 電流模式控制：簡化了控制環路設計，提高了系統的穩定性和響應速度。
4. 前沿消隱：有效避免了PWM比較器因前沿尖峰而提前終止導通周期。
5. 內部修整的275kHz ±10%振蕩器：降低了磁性和濾波組件的成本，同時減小了電路板空間。
6. 低外部組件數量：減少了設計的復雜性和成本。
7. 軟啟動：使負載電壓能夠以受控的方式上升，避免輸出電壓過沖。
8. 高壓啟動電路：允許設備在啟動時直接從18V至110V的輸入電源獲取能量。
9. 逐脈沖電流限制：保護MOSFET免受過流損壞。
10. 熱關斷：當芯片溫度過高時自動關閉，提高了系統的可靠性。
11. SO - 8封裝：體積小，便于安裝和布局。

二、應用場景

MAX5019/MAX5020適用于多種電源應用場景，包括：

• 電信電源：滿足電信設備對電源穩定性和可靠性的高要求。
• 工業電源：適應工業環境中的復雜電壓和負載條件。
• 網絡電源：為網絡設備提供穩定的電力支持。
• 隔離電源：在需要電氣隔離的場合發揮重要作用。

三、技術細節剖析

1. 電流模式控制

MAX5019/MAX5020采用電流模式控制，具有前沿消隱功能。通過前沿消隱電路，僅對應用于PWM比較器輸入的感測電流信號進行消隱，而電流限制比較器始終監測CS引腳，實現逐脈沖電流限制。這種設計避免了因MOSFET柵極充電電流、電容和二極管反向恢復電流產生的前沿尖峰對PWM比較器的干擾。

2. 內部調節器

芯片內部的調節器允許初始啟動時無需使用有損耗的啟動電阻，并能對三次側（偏置）繞組的輸出電壓進行調節，為芯片供電。啟動時，V+電壓被調節為VCC，為設備提供偏置。VDD調節器則從三次側繞組的輸出調節到VCC。當VDD電壓達到12.7V時，高壓調節器禁用，降低了功耗，提高了效率。

3. 欠壓鎖定（UVLO）、軟啟動和關斷

• 軟啟動：通過連接到SS_SHDN引腳的電容實現。在UVLO期間，電容放電；退出UVLO時，內部電流源開始對電容充電，啟動軟啟動周期。軟啟動完成后，VSS_SHDN被調節到2.4V。
• 欠壓鎖定：當VCC小于6.6V時，控制器關閉，但V+和參考電壓的調節器仍保持開啟。
• 關斷：將VSS_SHDN拉低至0.25V以下，可禁用控制器。

4. 電流感測比較器

電流感測（CS）比較器及其相關邏輯用于限制通過MOSFET的峰值電流。當VCS超過465mV時，功率MOSFET關斷，從開關電流達到觸發水平到驅動器關斷的傳播延遲為180ns。

5. 內部誤差放大器

內部誤差放大器可用于調節非隔離電源的輸出電壓，也可用于調節三次側繞組的輸出，以實現原邊調節的隔離電源。通過合理選擇電阻R1和R2的值，可以精確控制輸出電壓。

6. PWM比較器和斜率補償

內部275kHz振蕩器決定了控制器的開關頻率。MAX5019使用內部斜坡發生器進行斜率補償，斜坡信號在每個周期開始時復位，并以26mV/μs的速率上升。PWM比較器根據瞬時電流、誤差電壓、內部參考和斜率補償（僅MAX5019）來決定何時關斷N溝道MOSFET。

7. N溝道MOSFET柵極驅動器

NDRV驅動N溝道MOSFET，能夠提供大的瞬態電流來充電和放電MOSFET柵極。為了支持這種開關瞬態，需要使用陶瓷電容對VCC進行旁路。

四、設計實例：使用MAX5020設計正向轉換器

下面為大家介紹使用MAX5020設計正向轉換器的一般步驟：

1. 確定要求：明確輸入電壓范圍、輸出電壓、輸出電流和紋波電壓等參數。例如，設計中要求 (36V leq V{IN} leq 72V)，(V{OUT}=5V)，(I{OUT}=10A)，(V{RIPPLE} leq) 某一值。
2. 設置輸出電壓：根據公式 (V{OUT} cong V{REF}(1+frac{R{1}}{R{2}})) 計算電阻R1和R2的值，同時要滿足 (R{1} // R{2} ll 50kΩ)，其中 (V{REF}=V{SS_SHDN} cong 2.4V)。
3. 計算變壓器原邊到副邊的匝數比：根據最小輸入電壓和MAX5020最大占空比的下限（44%）計算匝數比 (frac{N{S}}{N{P}} geq frac{V{OUT}+(V{D1} × D{MAX})}{D{MAX} × V{IN_MIN}})。在本例中，計算得出 (frac{N{S}}{N_{P}} geq 0.330)，選擇 (NP = 14)，則 (Ns = 5)。
4. 計算復位繞組到原邊的匝數比：為了確保變壓器中的所有能量在最大占空比的關斷周期內返回V+，需要計算復位繞組的匝數比 (N{R} leq N{P} × frac{1 - D{MAX}'}{D{MAX}'})。計算得出 (N{R} leq 14)，取整后確定 (NR) 的值。同時，還需要根據公式 (V{DSMAX} geq V{IN_MAX} × (1+frac{N{P}}{N_{R}})) 確定N溝道MOSFET的最大漏源電壓，選擇具有適當雪崩功率額定值的MOSFET。
5. 計算三次側繞組到原邊的匝數比：選擇三次側繞組匝數比，使最小輸入電壓能在VDD提供最小工作電壓（13V）。根據公式 (frac{V{D D M I N}+0.7}{V{I N _M I N}} × N{P} leq N{T} leq frac{V{D D M A X}+0.7}{V{I N _M A X}} × N{P}) 計算，本例中得出 (5.33 leq N{T} leq 7.14)，選擇 (N_{T}=6)。
6. 計算電流感測電阻值：根據公式 (R{SENSE} leq frac{V{ILIM}}{frac{N{S}}{N{P}} × 1.2 × I{OUTMAX}}) 選擇RSENSE的值，在本例中 (R{SENSE} leq 109mΩ)。
7. 計算輸出電感值：選擇電感值，使電感中的峰值紋波電流（LIR）在最大輸出電流的10%至20%之間。根據公式 (L geq frac{(V{OUT}+V{D}) × (1 - D{MIN})}{2 × LIR × 275kHz × I{OUTMAX}}) 計算，得出 (L geq 4.01μH)。
8. 選擇輸出電容：輸出濾波電容的大小和ESR決定了輸出紋波。選擇低ESR的電容，根據公式 (V{RIPPLE}=sqrt{V{RIPPLEESR}^{2}+V_{RIPPLEC}^{2}}) 計算峰 - 峰輸出紋波，其中 (VRIPPLE,ESR = IRIPPLE × ESR)，(VRIPPLE,C = IRIPPLE / (2 × π × 275kHz × COUT))。

五、布局建議

在進行電路板布局時，需要注意以下幾點：

1. 所有承載脈沖電流的連接必須盡可能短且寬，并以接地平面作為返回路徑。由于高頻開關電源轉換器中電流的高di/dt，這些連接的電感必須保持最小。
2. 分析任何布局中的電流環路，盡量減小內部面積，以降低輻射EMI。
3. 接地平面應盡量保持完整。

六、總結

MAX5019/MAX5020這兩款集成啟動電路的電流模式PWM控制器，憑借其豐富的特性和廣泛的應用場景，為電子工程師在電源設計領域提供了優秀的解決方案。通過深入了解其技術細節和設計要點，我們可以充分發揮它們的優勢，設計出高效、穩定的電源系統。你在使用類似控制器進行電源設計時，遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享交流。