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Low-Cost, Complete Power Solution for Powered Devices Includes a 12V Buck Converter

参考设计免责声明 参照  重要声明和免责声明  涵盖参考设计和其他Maxim资源

描述

图1电路为完备的PD供电电路,具有一个DC-DC转换器,输出12V电压时可提供高达0.85A的电流。MAX5953A内置高边、低边功率开关FET,低边FET不能配置为同步整流二极管。因此,buck转换器仅使用高边FET。因为IC内部的限流电路工作时利用低边FET电流产生的压降,该电路不具备自动电流限制功能。启动时,保险丝F1提供短路保护。

图1. 包含一个12V、0.85A buck转换器的PD原理图


MAX5953具有如下特性:

 

  1. TVS二极管D1用于抑制瞬间尖峰电压和反向电压。
  2. 该电路根据输入电压不同工作在三种模式:PD侦测模式、PD分级模式和PD供电模式。使用或没有使用二极管电桥情况下的电压门限都符合IEEE 802.3af标准。
    • 在PD侦测模式下,供电设备(PSE)在VIN施加两个1.4V至10.1V、最小步长为1V的电压,并记录这两点对应的电流测量值。PSE随后计算ΔV/ΔI,确认25.5kΩ的特征电阻R1是否存在。此模式下,MAX5953A的绝大部分内部电路是关断的,且偏置电流低于10µA。
    • 在分级模式下,PSE根据PD的功耗要求对PD进行分级。电阻R2 (255Ω)通知PSE,PD将在最大功率为6.49W至12.95W的3级模式下工作。当电源进入供电模式时,分级电流关断。
    • 当VIN上升到38V UVLO门限电压以上时,MAX5953A进入供电模式并逐渐打开内部MOSFET,抑制浪涌电流。
  3. 完成开启过程,且VOUT - VEE = 1.23V时,PGOOD进入漏极开路模式。软启动电容C15由内部33µA的上拉电流充电,给DC-DC转换器提供软启动。通过设定分压电阻R6/R7和1.33V的DCUVLO的电压门限,DC-DC转换器在达到VOUT = -30V (相对于V+)以前没有开始工作。
  4. 因为3级功率限制最大功率为12.95W,当输出电压为12V、电源转换效率为80%时,负载电流限制在0.85A。

热插拔电路说明

UVLO的默认启动电压为38.6V,默认关断电压约为30V。利用V+和VEE间的分压电阻(中心抽头接在UVLO)可以将UVLO的启动、关断电压设置在12V至67V之间的任意值。
达到UVLO门限电压时,以10µA电流给FET栅极充电,内置FET将缓慢导通。缓慢的导通过程使100µF电容C6的充电电流最小。该电路中,OUT的热拔插输出电压以大约910mV/ms的速率下降,电压作用到输入端大约8ms后开始下降,见图2

图2. 热拔插启动和斜坡时序
图2. 热拔插启动和斜坡时序
CH1 = VSS, CH2 = VOUT

PWM电路说明

DC-DC转换器是典型的buck转换器,使用内部高边FET和外部肖特基同步整流二极管。输入电压范围为30V (由DCUVLO的分压电阻设置)至60V,该范围对应的降压比为最小2.5:1至最大5:1,对应的占空比为20%至40%。开关频率由R4、C4设定为532kHz,以提供最小420ns的导通脉冲宽度,保持低开关损耗。
软启动过程包括一下操作时序:限制OPTO反馈电压使其不要比CSS端电压高出1.45V,由内部33µA电流源给CSS端电容充电。PGOOD将CSS初始电压箝位至GND,而当OUT与VEE之间的差值小于1.2V时,热拔插功能完成,PGOOD释放。该过程允许启动时反馈信号缓慢上升,缓慢增大占空比可以避免输出过冲。启动时OPTO引脚的上升斜率体现了软启动特性(图3),当VOPTO电压约为2V时,斜坡电压处于正常工作状态。图4所示为重载时的情况,图5所示为轻载时的工作情况。
图3. 软启动时序
图3. 软启动时序
CH1 = VOPTO, CH2 = VCSS; CSS = 470nF
图4. PWM通过OPTD的反馈电压与RAMP电压比较进行控制
图4. PWM通过OPTD的反馈电压与RAMP电压比较进行控制
CH1 = VOPTO, CH2 = VRAMP, ILOAD = 400mA

图5. 低电流负载条件下,PWM斜坡电压与OPTO的反馈电压进行比较
CH1 = VOPTO, CH2 = VRAMP, ILOAD = 50mA
控制器工作在电压模式,前馈电压斜率由R3和C3设定。OPTO信号与RAMP电压进行比较。

启动时的输出电压过冲

477nF的软启动电容(CSS)将过冲电压降至1%甚至更低,如图6所示。较小的CSS电容能够在一定程度上控制上电过程出现的输出电压过冲,如图7所示,当CSS = 100nF时,电压过冲达到7.7%。更小的CSS可加速启动过程,但却增大了上电时的输出电压过冲。
图6. 启动过程的输出电压过冲
CH1 = VOUT, CH2 = VCSS, CSS = 470nF, RLOAD = 30Ω (IOUT = 400mA @ 12V),过冲电压 ≈ 0
图7. 启动过程的输出电压过冲
图7. 启动过程的输出电压过冲
CSS = 100nF

电流限制

虽然MAX5953内部集成有高边和低边FET,但低边FET只用于正激或反激电路中的变压器耦合隔离。高边、低边FET同时导通,电流检测通过检测低边FET的压降实现。因为没有使用低边FET,本电路没有电流检测功能。发生短路时,利用保险丝保护MAX5953和其内部调整管FET不受损坏。然而,一旦DC-DC转换器启动,保险丝的输出短路保护作用将很有限,因为保险丝的热迟滞可能导致通道上的器件损坏。

负载瞬变

图8所示的负载瞬变情况发生在从1/2到满负荷的负载突变。在输出端接一个固定400mA的负载,并联一个400mA脉冲负载。如果负载从0mA跳至400mA时,负载电压在瞬间发生剧大变化,如图9;而图8所示情况负载电压突变较低,当负载电流高于50mA时几乎与直流负载无关。

图8. 1/2到满负荷的负载跃变
CH1 = VOUT, CH2 = ΔIOUT, 瞬变 = 1.2%, IOUT = 800mA→400mA→800mA

图9. 从0到1/2满负荷的负载跃变
CH1 = VOUT, CH2 = ΔIOUT, 瞬变 = 5%至10%, IOUT = 400mA→mA→400mA

转换效率

转换效率介于负载电流为250mA时的71%至负载电流为1A时的80.5%。图10显示当850mA满负荷电流时,转换效率将大于80%。

图10. VIN = 48V时的转换效率

环路稳定性

电压模式控制环路存在两个极点:4.1kHz LCOUT (L1、C9)谐振频率,和一个由于COUT的低ESR产生的高于4MHz的零点。使用3类环路补偿可使单位增益带宽高于LCOUT的谐振频率。两个零点设置为2.1kHz (R9、C14)和4.1kHz (R11、C15),补偿LCOUT的两个谐振极点,两极点置于20kHz (R9、C13)和125kHz (R10、C15)。从图11控制环路波特图可以看出,单位增益频率为19.4kHz,相位裕量为59°。
图11. 环路波特图
图11. 环路波特图

应用

这个简单的buck转换器非常适合PD应用,低成本的非变压器耦合结构,唯一的不足是短路情况下有可能出现保护失效。

MAX5953A材料清单

Qty Description Designator Part Number
1 Capacitor, ceramic, X7R, 68nF, 10%,100V, 1206 C1 TDK C3216X7R2A683K Vishay VJ1206Y683KXB
1 Capacitor, ceramic, X7R, 22µF, 20%,16V, 1812 C10 TDK C4532X7R1C226M
1 Capacitor, ceramic, X7R, 1µF, 10%, 16V, 0805 C11 TDK C2012X7R1A105K
1 Capacitor, ceramic, X7R, 2.2nF, 10%, 25V, 0805 C12 TDK C2012X7R2A222K Vishay VJ0805Y222KXX
1 Capacitor, ceramic, X7R, 15nF, 10%, 25V, 0805 C13 TDK C2012X7R2A153K Vishay VJ0805Y153KXX
1 Capacitor, ceramic, NPO, 150pF, 5%, 50V, 0603 C14 TDK C1608COG1H151J Vishay VJ0805Y151JXA
1 Capacitor, ceramic, X7R, 470nF, 10%, 50V, 0805 C15 TDK C2012X7R2A474K Vishay VJ0805Y474KXA
1 Capacitor, ceramic, X7R, 4.7nF, 10%, 25V, 0805 C2 TDK C2012X7R2A472K Vishay VJ0805Y472KXX
1 Capacitor, ceramic, NPO, 100pF, 5%, 50V, 0603 C3 TDK C1608COG1H101J Vishay VJ0805Y101JXA
1 Capacitor, ceramic, NPO, 39pF, 5%, 50V, 0603 C4 TDK C1608COG1H390J Vishay VJ0805Y390JXA
1 Capacitor, ceramic, X7R, 1µF, 10%, 100V, 1210 C5 TDK C3225X7R2A105M
1 Capacitor, al. elec., 100µF, 20%, 80V, SM 10 x 10mm C6 Panasonic EEV-FK1K1010
1 Capacitor, ceramic, X7R, 2.2µF, 20%, 100V, 1812 C7 TDK C4532X7R2A225M
1 Capacitor, ceramic, X7R, 220nF, 10%, 50V, 0805 C8 TDK C2012X7R1H224K Vishay VJ0805Y224KXX
1 Capacitor, ceramic, X7R, 2.2µF, 20%, 50V, 1210 C9 TDK C3225X7R1H225M
1 Diode, TVS, 64V, SMA D1 Vishay SMAJ64A
1 Diode Schottky 90V, 1A , SMB D2 ON Semi MBRS190T3
1 Fuse, 1/2A, 1206 F1 Littlefuse 0433.500
1 Inductor, 68µH, 1A, 10 x 10mm L1 TDK SLF10145T-680M1R2
1 Resistor, thin film, 25.5kΩ, 1%, 0805 R1  
1 Resistor, thin film, 14.3kΩ, 1%, 0805 R10  
1 Resistor, thin film, 4.99kΩ, 1%, 0805 R10  
1 Resistor, thin film, 402Ω, 1%, 0805 R11  
1 Resistor, thin film, 17.4kΩ, 1%, 0805 R12  
1 Resistor, thin film, 2.00kΩ, 1%, 0805 R13  
1 Resistor, thin film, 255Ω, 1%, 1206 R2  
1 Resistor, thin film, 210kΩ, 1%, 0805 R3  
1 Resistor, thin film, 28.0kΩ, 1%, 0805 R4  
1 Resistor, thin film, 3.9kΩ, 5%, 0805 R5  
1 Resistor, thin film, 316kΩ, 1%, 0805 R6  
1 Resistor, thin film, 14.7kΩ, 1%, 0805 R7  
2 Resistor, thin film, 10.0kΩ, 1%, 0805 R8 R9  
1 IC, Controller, Power device +DC-DC converter TQFN50P700X700X48-EP U1 MAX5953AUTM+
1 IC, Reference, 1.24V 1% SO-8 U2 TI TLV431ACDBV

Icon

设计, 制作, 测试

图中的电路板已经完成封装和测试。不可售。

 

Maxim设备 (7)

器件号 名称 产品线 购买 设计套件和评估模块
MAX5940 IEEE 802.3af PD接口控制器,用于以太网供电 开关稳压器 立即购买 Design Kits
MAX5945 四路网络电源控制器,用于LAN供电 开关稳压器 立即购买 Design Kits
MAX5922 +48V、单端口网络电源,用于LAN供电 开关稳压器 立即购买 Not Available
MAX5953A IEEE 802.3af PD接口和PWM控制器,集成功率MOSFET 开关稳压器 Not Available Not Available
MAX5953B IEEE 802.3af PD接口和PWM控制器,集成功率MOSFET 开关稳压器 Not Available Not Available
MAX5953C IEEE 802.3af PD接口和PWM控制器,集成功率MOSFET 开关稳压器 Not Available Not Available
MAX5953D IEEE 802.3af PD接口和PWM控制器,集成功率MOSFET 开关稳压器 Not Available Not Available

Maxim设备 (7)

器件号 产品线
开关稳压器
IEEE 802.3af PD接口控制器,用于以太网供电
开关稳压器
四路网络电源控制器,用于LAN供电
开关稳压器
+48V、单端口网络电源,用于LAN供电
Not Available
Not Available
开关稳压器
IEEE 802.3af PD接口和PWM控制器,集成功率MOSFET
Not Available
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开关稳压器
IEEE 802.3af PD接口和PWM控制器,集成功率MOSFET
Not Available
Not Available
开关稳压器
IEEE 802.3af PD接口和PWM控制器,集成功率MOSFET
Not Available
Not Available
开关稳压器
IEEE 802.3af PD接口和PWM控制器,集成功率MOSFET
Not Available

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