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包含12V buck转换器的低成本用电设备完整方案

发布时间:2017-01-20 责任编辑:wenwei

【导读】MAX5953A为以太网供电系统(PoE)的用电设备(PD)提供简单、低成本、完备的非隔离电源解决方案。该电路提供PD侦测和信号分级,符合IEEESM 802.3af标准,此外还具有可编程浪涌电流控制、集成电源开关、PWM控制器和高、低边开关等电路。Buck降压转换器能够以高于80%的效率提供0.85A、12V电压输出。
 
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。
 
包含12V buck转换器的低成本用电设备完整方案
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。
 
包含12V buck转换器的低成本用电设备完整方案
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。
 
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图3. 软启动时序
 
CH1 = VOPTO, CH2 = VCSS; CSS = 470nF
 
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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
 
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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。
 
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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
 
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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。
 
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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
 
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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%。
 
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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°。
 
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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。
 
本文来源于Maxim。
 
 
 
 
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