参考电路 3912

包含12V buck转换器的低成本用电设备完整方案



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

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

 
Status:
Package:
Temperature:

MAX5953B
IEEE 802.3af PD接口和PWM控制器,集成功率MOSFET

  • 受电设备接口
  • DC-DC转换器
  • 大功率(2.22W)、7mm x 7mm、高效散热、无铅、微型QFN封装

MAX5953C
IEEE 802.3af PD接口和PWM控制器,集成功率MOSFET

  • 受电设备接口
  • DC-DC转换器
  • 大功率(2.22W)、7mm x 7mm、高效散热、无铅、微型QFN封装

MAX5953A
IEEE 802.3af PD接口和PWM控制器,集成功率MOSFET

  • 受电设备接口
  • DC-DC转换器
  • 大功率(2.22W)、7mm x 7mm、高效散热、无铅、微型QFN封装

MAX5953D
IEEE 802.3af PD接口和PWM控制器,集成功率MOSFET

  • 受电设备接口
  • DC-DC转换器
  • 大功率(2.22W)、7mm x 7mm、高效散热、无铅、微型QFN封装

MAX5945
四路网络电源控制器,用于LAN供电

  • 符合IEEE 802.3af标准
  • 在端点或中跨PSE应用中控制四个独立的-48V以太网端口
  • VDIG宽数字电源输入,共模范围:VEE至(AGND + 7.7V)

MAX5940
IEEE 802.3af PD接口控制器,用于以太网供电

  • 完全集成的IEEE 802.3af PD接口
  • PD检测和可编程的分类签名
  • 检测期间低于10µA的漏电流偏差

MAX5922
+48V、单端口网络电源,用于LAN供电

  • 符合IEEE 802.3af标准
  • +32V至+60V宽输入电压范围
  • 0.45Ω集成的功率开关