探索MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A：高效PoE解決方案

在現代電子設備中，以太網供電（PoE）技術憑借其便捷性和高效性，在眾多領域得到了廣泛應用。今天，我們就來深入探討一下Maxim Integrated推出的MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A系列產品，這是一系列符合IEEE 802.3af標準的高效Class 1/Class 2受電設備（PD），集成了DC - DC轉換器，為PoE系統提供了完整的電源解決方案。

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產品概述

MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A將PD接口與高效的DC - DC轉換器集成在一起，大大減少了外部元件數量。其中，MAX5987A包含一個低壓差穩壓器（LDO），而MAX5986A - MAX5986C則具備睡眠和超低功耗模式。這些設備采用16引腳、5mm x 5mm的TQFN功率封裝，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C。

關鍵特性與優勢

高度集成，節省空間和成本

• 集成DC - DC轉換器：內置高效的DC - DC轉換器，集成了開關，減少了外部元件數量，降低了物料清單（BOM）成本。
• 輸出電壓監控：具備內置的輸出電壓監控功能，提高了系統的穩定性和可靠性。
• 多重保護功能：能夠有效防止過載、輸出短路、輸出過壓和過熱等問題，保障設備的安全運行。
• 集成TVS二極管：可承受電纜放電事件（CDE），增強了設備的抗干擾能力。
• 內部LDO穩壓器：MAX5987A內置了最大負載可達100mA的LDO穩壓器，為系統提供穩定的電源。

符合IEEE 802.3af標準，減少設計時間

• 單電阻分類：通過單個電阻即可設置PoE Class 1/Class 2分類，簡化了設計過程。
• 智能MPS功能：智能維持功率簽名（MPS）符合IEEE 802.3af規范，確保設備在不同工況下都能穩定運行。
• 簡化壁式適配器接口：提供了簡化的壁式適配器接口，方便與外部電源連接。
• 抗電纜放電能力：能夠通過2kV、200m CAT - 6電纜放電測試，保證了設備在復雜環境下的可靠性。

輕載高效，降低功耗

• 睡眠和超低功耗模式：MAX5986A - MAX5986C具備睡眠和超低功耗模式，在輕載時可顯著降低功耗。
• 頻率折返技術：采用頻率折返技術，在輕載時將開關頻率降低一半，提高了功率轉換效率。
• 背偏置能力：具備背偏置能力，可優化效率，進一步降低功耗。

性能強勁，設計靈活

• 寬輸入電壓范圍：支持8.7V至60V的寬輸入電壓范圍，適應不同的電源環境。
• 打嗝模式限流：具備打嗝模式的失控電流限制功能，增強了設備的穩定性。
• 低浪涌電流限制：典型浪涌電流限制為49mA，減少了對電源的沖擊。
• 開放漏極RESET輸出：MAX5987A具備開放漏極RESET輸出，方便與其他設備進行接口。
• 可編程輸出電壓：輸出電壓范圍可編程，從3.0V到14V，滿足不同應用的需求。
• 固定開關頻率：具備固定的215kHz/430kHz開關頻率，便于設計和調試。

電氣特性

絕對最大額定值

該系列產品的絕對最大額定值涵蓋了各種電壓、電流和溫度范圍。例如，VDD到GND的電壓范圍為 - 0.3V至 + 70V，LX總RMS電流最大為1.6A，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C等。在設計時，必須確保設備的工作條件在這些額定值范圍內，以避免對設備造成永久性損壞。

電氣參數

詳細的電氣參數包括檢測模式下的輸入偏移電流、有效差分輸入電阻，分類模式下的分類使能閾值、分類禁用閾值等。這些參數為工程師在設計電路時提供了重要的參考依據。例如，在檢測模式下，輸入偏移電流最大為10μA，有效差分輸入電阻在23.95kΩ至25.5kΩ之間。

工作模式

檢測模式（1.4V ≤ VDD ≤ 10.1V）

在檢測模式下，設備通過單個外部簽名電阻提供檢測簽名。電源設備（PSE）會在VDD上施加兩個電壓，通過計算差分電阻來確認24.9kΩ簽名電阻的存在。此時，設備施加VDD到RREF，且由于設備引起的VDD偏移電流小于10μA。

分類模式（12.6V ≤ VDD ≤ 20V）

在分類模式下，設備吸收Class 1/Class 2分類電流。PSE施加分類電壓，通過測量分類電流來確定設備的最大功率需求。設備可通過外部24.9kΩ電阻和CLASS2引腳設置分類電流為10.5mA（Class 1）或18.5mA（Class 2）。

功率模式（VDD ≥ VON）

當VDD超過欠壓鎖定閾值（VON）時，設備進入功率模式。此時，內部p溝道隔離MOSFET導通，將VCC連接到VDD，并限制浪涌電流。一旦隔離MOSFET完全導通，電流限制將切換到323mA，同時降壓轉換器在123ms后開啟。

功能特性詳解

LED驅動（MAX5986A - MAX5986C）

MAX5986A - MAX5986C可驅動一個或多個串聯的LED，最大LED電壓為6.5V。在睡眠和超低功耗模式下，LED電流采用脈寬調制，占空比為25%，電流幅度可通過RSL進行編程，計算公式為(ILED = 646 / RSL (mA))。

睡眠和超低功耗模式（MAX5986A - MAX5986C）

這兩種模式可有效降低設備的功耗。睡眠模式下，內部p溝道隔離MOSFET保持導通，降壓轉換器關閉。超低功耗模式則進一步降低功耗，同時維持IEEE標準的功率簽名。進入和退出這兩種模式可通過相應的控制引腳實現。

熱關斷保護

當設備的管芯溫度達到151°C時，會觸發過熱故障，設備自動關閉。只有當管芯溫度冷卻到 + 135°C以下時，過熱故障條件才會解除，設備將自動復位。

WAD功能

對于使用輔助電源（如壁式電源適配器）的應用，設備具備壁式電源適配器檢測功能。當WAD到PGND的電壓大于8.8V時，檢測到壁式電源適配器，內部隔離MOSFET關閉，分類電流禁用，設備從輔助電源獲取功率。

內部線性穩壓器和背偏置

內部電壓穩壓器為內部電路提供VDRV，VDRV輸出通過連接到GND的1μF電容進行濾波。該穩壓器僅用于內部使用，不能為外部電路供電。VDRV可由VDD或VAUX供電，具體取決于VAUX的狀態。如果VOUT大于4.75V，可用于背偏置VDRV電壓穩壓器，以提高設備效率。

電纜放電事件保護（CDE）

集成的70V電壓鉗位可保護內部電路免受電纜放電事件的影響，增強了設備的可靠性。

DC - DC降壓轉換器

采用PWM、峰值電流模式、固定頻率控制方案，具備快速瞬態響應能力。工作輸入電壓范圍為8V至60V，支持最大6.49W的輸入功率。同時，具備多種保護功能，如欠壓鎖定、過熱關斷、短路保護、逐周期峰值電流保護和逐周期輸出過壓保護等。還采用了頻率折返方案，在輕載時將開關頻率降低一半，提高了效率。

頻率折返保護

當連續出現8次電感電流過零事件時，設備進入頻率折返模式，開關頻率降低到107.5kHz或215kHz，以提高功率轉換效率。當連續8個開關周期電感電流不過零時，設備返回正常模式。在啟動期間，直到軟啟動完成50%時，強制進入頻率折返模式。

打嗝模式

當觸發打嗝保護時，設備關閉高端MOSFET，開啟低端MOSFET，直到電感電流達到谷值電流限制?？刂七壿嫷却?54ms（MAX5986C為77ms）后，嘗試新的軟啟動序列。在軟啟動和正常運行模式下，若高端MOSFET電流超過失控電流限制閾值，或在正常運行模式下出現輸出欠壓事件（調節反饋電壓低于60%），都會觸發打嗝模式。

RESET輸出（MAX5987A）

MAX5987A具備開放漏極RESET輸出，用于指示LDO或開關穩壓器是否超出調節范圍。當任一穩壓器低于其調節反饋值的92%時，RESET輸出拉低；當兩個穩壓器都高于其值的95%時，RESET輸出在100μs后變為高阻態。

維持功率簽名（MPS）

該功能使設備能夠維持端口的最小電流（10mA），避免被PSE斷開電源。當端口電流低于14mA時，設備進入MPS模式；當端口電流大于40mA時，退出MPS模式。通過將MPS引腳連接到VDRV可啟用該功能，連接到GND則禁用。

應用信息

與壁式適配器配合使用

在使用壁式電源適配器為PD供電的應用中，設備可檢測壁式電源適配器，并優先使用WAD電源。當檢測到壁式電源適配器時，內部隔離MOSFET關閉，分類電流禁用，設備從輔助電源獲取功率。

調整LDO輸出電壓（MAX5987A）

MAX5987A的LDO穩壓器可通過連接LDO_FB到VDRV設置預設電壓為3.3V，也可通過連接電阻分壓器到LDO_OUT和LDO_FB來調整輸出電壓?？偡答侂娮钁?00kΩ左右，最大輸出電流為85mA。

調整降壓轉換器輸出電壓

降壓轉換器的輸出電壓可通過改變反饋電阻分壓器的比例進行設置。MAX5986A/MAX5987A的輸出電壓范圍為3.0V至5.6V，MAX5986B/MAX5986C為5.4V至14V。FB電壓調節為1.225V，應保持FB引腳到電阻分壓器中心的走線短，并使總反饋電阻約為100kΩ。

元件選擇

電感選擇

選擇電感時，可使用公式(L=frac{V{OUT } timesleft(V{IN }-V{OUT }right)}{f{S} × V{IN } × L{I R} × I_{OUT(MAX)}})，其中LIR為電感紋波電流與滿載電流在最小占空比下的比值，建議選擇20%至40%以獲得最佳性能和穩定性。應選擇直流電阻盡可能低且能適應規定尺寸的電感，粉末鐵氧體磁芯類型通常是性能最佳的選擇。

VCC輸入電容選擇

輸入電容可減少從輸入電源汲取的電流峰值，降低IC中的開關噪聲?？傒斎腚娙輵獫M足公式(C_{INMIN }=frac{D × T{S} × I{OUT }}{V{IN-HIPLE }})，其中VIN - RIPPLE為輸入電容上允許的最大輸入紋波電壓，建議小于最小輸入電壓的2%。輸入電容在開關頻率下的阻抗應小于輸入源的阻抗，以確保高頻開關電流通過輸入電容分流。

輸出電容選擇

輸出電容的關鍵選擇參數包括電容值、等效串聯電阻（ESR）、等效串聯電感（ESL）和電壓額定值。這些參數會影響DC - DC轉換器的整體穩定性、輸出紋波電壓和瞬態響應?？赏ㄟ^公式估算輸出電壓紋波，選擇陶瓷電容可降低ESR和ESL，減少輸出電壓紋波。

PCB布局

PCB布局對于實現設備的穩定運行至關重要。建議復制MAX5986A EV套件的布局以獲得最佳性能。若需要進行調整，應遵循以下原則：

1. 將輸入和輸出電容連接到功率接地平面，其他電容連接到信號接地平面。
2. 將VDD、VCC、AUX、VDRV的電容盡可能靠近IC及其對應引腳，使用直接走線。保持功率接地平面（連接到PGND）和信號接地平面（連接到GND）分開。
3. 保持高電流路徑短而寬，縮短開關電流路徑，最小化LX、輸出電容和輸入電容形成的環路面積。
4. 將VDD、VCC和PGND分別連接到大面積銅區，有助于IC散熱，提高效率和長期可靠性。
5. 確保所有反饋連接短而直接，將反饋電阻和補償元件盡可能靠近IC放置。
6. 將高速開關節點（如LX）遠離敏感模擬區域（如FB）。
7. 在MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A的EP焊盤上放置足夠的過孔，以有效散熱。過孔間距建議為1mm至1.2mm，熱過孔應鍍銅（1oz），孔徑為0.3mm至0.33mm。

典型應用電路

文檔中提供了MAX5986A 5V輸出、MAX5986B/MAX5986C 12V輸出以及MAX5987A 5V降壓調節器輸出和3.3V LDO輸出的典型應用電路，為工程師在實際設計中提供了參考。

總結

MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A系列產品憑借其高度集成、高效節能、功能豐富等特點，為PoE系統提供了出色的電源解決方案。在設計過程中，工程師需要充分考慮其電氣特性、工作模式、功能特性以及元件選擇和PCB布局等方面，以確保設備的穩定運行和性能優化。你在使用這些產品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。