干货：包含12V buck转换器的低成本用电设备完整方案

Colbie

干货：包含12V buck转换器的低成本用电设备完整方案

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。


! E9 |" l3 A* w1 b$ ~! v- k- t图1. 包含一个12V、0.85A buck转换器的PD原理图
% \  g+ P  x' c& X1 L- U& a
MAX5953具有如下特性：

• TVS二极管D1用于抑制瞬间尖峰电压和反向电压。
• 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。
    ; }5 ?; H, L) f/ m
• 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。
• 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。
$ O! c: C& F' Z! y! b
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。
4 y. p5 [) ^# v& f

# S0 K& y- c# ]$ ?% U/ g" @5 X图2. 热拔插启动和斜坡时序
. C0 f8 W6 @- d9 p% @$ kCH1 = 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。

. u+ l5 v' s6 v; ?. C5 K+ n9 e
图3. 软启动时序
. v# J5 n) z) d, S1 E3 SCH1 = VOPTO, CH2 = VCSS; CSS = 470nF
7 ?! H4 z# T7 A9 ^

7 w9 l+ }4 f0 J, W5 v图4. PWM通过OPTD的反馈电压与RAMP电压比较进行控制
& h! K: W, g/ g) u3 b/ H: BCH1 = 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
' C: I" V6 D$ sCH1 = VOPTO, CH2 = VRAMP, ILOAD = 50mA

2 k  W4 Q% |6 v  w$ Q. l; C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。
0 c1 Q' s* Z( R0 d# T; J$ y

图6. 启动过程的输出电压过冲
CH1 = VOUT, CH2 = VCSS, CSS = 470nF, RLOAD = 30Ω (IOUT = 400mA at 12V)，过冲电压 ≈ 0

# a! Z+ V, A+ a7 f9 S3 r, S- S7 e
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。
+ A5 _7 p/ z' y( h' u, s

图8. 1/2到满负荷的负载跃变
* d, N# ^4 q; Q; x% rCH1 = VOUT, CH2 = IOUT, 瞬变 = 1.2%, IOUT = 800mA400mA800mA
, o7 q4 O, l; V
' \5 Y$ X! }' R# M
图9. 从0到1/2满负荷的负载跃变
+ t. w( ^0 @6 tCH1 = VOUT, CH2 = ΔIOUT, 瞬变 = 5%至10%, IOUT = 400mA0mA400mA

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%。

4 m7 j" i) Q% U5 i, p* w
6 q1 A) W6 p# ], A( b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°。
+ }3 m! W3 b% h
6 @+ d7 }* `1 {$ M7 |, i8 e9 x, f
图11. 环路波特图

应用

这个简单的降压转换器非常适合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。
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4 x/ D# N6 T2 k! o1 `. `/ wMAX5953A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, 22uF, 20%,16V, 1812	C10	TDK C4532X7R1C226M
1	Capacitor, ceramic, X7R, 1uF, 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, 1uF, 10%, 100V, 1210	C5	TDK C3225X7R2A105M
1	Capacitor, al. elec., 100uF, 20%, 80V, SM 10 x 10mm	C6	Panasonic EEV-FK1K1010
1	Capacitor, ceramic, X7R, 2.2uF, 20%, 100V, 1812	C7	TDK C4532X7R2A225M
1	Capacitor, ceramic, X7R, 220nF, 10%, 50V, 0805	C8	TDK C2012X7R1H224K Vishay VJ0805Y224KXX
1	Capacitor, ceramic, X7R, 2.2uF, 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, 68uH, 1A, 10 x 10mm	L1	TDK SLF10145T-680M1R2
1	Resistor, thin film, 25.5K, 1%, 0805	R1
1	Resistor, thin film, 14.3K, 1%, 0805	R10
1	Resistor, thin film, 4.99K, 1%, 0805	R10
1	Resistor, thin film, 402Ω, 1%, 0805	R11
1	Resistor, thin film, 17.4K, 1%, 0805	R12
1	Resistor, thin film, 2.00K, 1%, 0805	R13
1	Resistor, thin film, 255Ω, 1%, 1206	R2
1	Resistor, thin film, 210K, 1%, 0805	R3
1	Resistor, thin film, 28.0K, 1%, 0805	R4
1	Resistor, thin film, 3.9K, 5%, 0805	R5
1	Resistor, thin film, 316K, 1%, 0805	R6
1	Resistor, thin film, 14.7K, 1%, 0805	R7
2	Resistor, thin film, 10.0K, 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

$ X7 j  p2 b& k1 H9 {) N3 O

ad_gao

非常详细。

周英刚

没多大意义，DC-DC的电源，国产的就有非常都，外围元件远比你图上的美信的简洁的多。
你这颗芯片的特点就是输出电流大，能达到0.85A，其它的真是一眼看不出优势。

brandon.chu

周英刚 发表于 2020-1-18 10:57
( V* z2 Z2 G+ h7 B5 h/ s3 R没多大意义，DC-DC的电源，国产的就有非常都，外围元件远比你图上的美信的简洁的多。
5 P& i  A( L* ]7 a你这颗芯片的特点就 ...

这个芯片的电流0.85A也非常小啊，毫无优势~
- @- U7 w9 e$ _% N& c0 w5 T. F