DC-DC变换器ICMAX786及其应用

2006-05-07 15:49:49来源: 国外电子元器件

为了使笔记本电脑等一类便携式电子设备小型化和轻量化,同时为了抑制功耗和降低电源电压,设计师们越来越多地使用大规模集成电路来工作。对于这类设备的电源部分,即使是在输出电压较低的情况下,也希望有一个高效率的DC-DC变换器。而实现这种高效率电源,并用于同步整流型电源的控制器则首推MAXIM公司生产的MAX786.利用MAX786可以很方便地同时输出稳定的5V和3.3V电压,是一种高性能的降压型DC-DC变换器IC。

1 MAX786概述

1.1 特点

MAX786具有如下特点:

●可以获得3.3V和5V两路固定输出电压;

●可以获得最大95%的变换效率;

●省电。工作时自身消除电流为420μA,待机时消耗电流仅为70μA;

●输入电压范围宽(5.5~30V)。

1.2 内部结构及参数

图1所示为MAX786的内部结构图。由图可见,MAX786内含两个控制电路、四个功率MOSFET驱动器、两个比较器以及振荡频率为200kHz或300kHz的振荡器。

1.3 引脚说明

VL引脚(22):5V电压输出端,最大输出电流为5mA。由图1可见,电源起动时由连接到输入电源上的V+端给稳压器提供电源。但当5V输出(FB5端)上升到4.5V以上时,稳压器关断,Q1接通,FB5端与VL端短接,其结果是5V电压由VL端输出。正是由于MAX786具备这一功能,因而减小了稳压器的损耗,提高了效率。此外,该端子应选用一个4.7μF电容旁路到地。

REF引脚(10):3.3V基准输出端,最大输出电流为5mA。该端口应采用电容旁路接地,其容量通常为0.22μF+1μF/mA。但在负载电流较大时,该电容往往会给各档输出电压带来某些影响。

SS3引脚(2)与SS5引脚(14):如果在该两引脚上接上电容,电源接通过时输出电压的上升速率将会变缓,因而可以抑制上电时产生的电流冲击。上升时间tr可由公司tr≈1ms/nF求得。在输出为5V时,通常连接10~100nF的电容器。

ON3引脚(3)与ON5引脚(13):这两个端子是接通或关断3.3V与5V输出的端子,通常情况下将它们连接到VL端。如果接地,则将关断MAX786的输出。

SYNC引脚(11):如果把SYNC接地或者接VL端,则IC内部的振荡频率为200kHz;如果将它接REF端,则产生的振荡频率为300kHz。

需要说明的是:当需要设计多组输出电源时,往往要使用若干个驱动电路。由于印制版上存在着振荡频率不同的时钟信号,将会产生诸如差拍干扰等弊端问题。这时,利用SYNC端可使这些驱动电路都与同一个时钟信号同步,这样,该问题就可以得到圆满的解决。

D1引脚(4)与D2引脚(5):把5V与3.3V输出电压输入到这两个端口上时,可以构成阈值电压为1.65V的低压检测电路。如果用电阻进行分压,还可以任意设定检测电压的大小。图2所示为其输出通/断开关电路,如果将内部比较器输出一侧的电源(VH端)连接到3~19V的任意电源上作为电平变换器使用,则可控制由功率MOSFET构成的输出开关。比较器的输出端Q1(8脚)与Q2(7脚)也可以以“线或”的形式互相连接在一起,其连接方式如图3所示。

SHDN引脚(12):如果SHDN端为“低”,则REF输出与比较器将停止工作,且3.3V与5V输出也将关断,但VL端的输出仍会维持在5V,这时消耗电流为25μA。如果SHDN端为“高”,而ON3端及ON5端为“低”,则电路处于待机方式,3.3V与5V输出截止,但此时节VL输出,REF输出与比较器仍处于工作状态,其消耗电流为70μA。

2 外围电路的设计方法

图4所示是采用MAX786构成的具有3A输出电流的3.3V/5.0V DC-DC变换器,它同时带输出开关。该电路的主要指标如下:

●输入电压:6.5~30VDC;

●输出电压:5V与3.3V;

●输出电流:3A;

●工作频率:300kHz。

设计时,如果扼流圈 L1及L2的脉动电流(峰-峰)为最大输出电流的30%,则电感电流的峰值为输出电流的1.15倍。这样可以算出L1、L2的值分别为:L1≈10.9μH,L2≈15.4μH。如果使用10μH电感,在电感中流过的脉冲电流峰值ΔIL应为3.49A。

工作在额定电流时,如果在取样电阻Rcs上产生的电压为80mV,那么,Rcs应选用25mΩ。

输出滤波电容主要与控制系统的电路稳定性、输出纹波电压和负载电流突变时的特性有关。为保持其中最具优先条件的电路稳定性,必须满足以下两个条件:

第一个条件为:CF>Vref/(2πVoutRcsG)

其中CF为输出滤波电容的容量,Vref为基准电压(3.3V),G为增益带宽积(60×103Hz),Rcs为电流取样电阻(0.025Ω),Vout为输出电压。由此可以求得C6>70μF,C7+C12>106F。

第二个条件为:RESR

这里RESR为输出滤波电容的等效串联电阻,由上式可以求出:RESR(C6)<38mΩ,

RESR(C7+C12)<25mΩ。

脉动电压是电源电路的重要指标之一。在负载电流较大时,脉动电压VR可由下式求得:

VR=IL[(RESR+1/(2πfCF))]

其中IL为扼流圈L1与L2中流过电流的峰-峰值(5V系统为1.38A,3V系统为0.98A),CF为输出滤波电容C6、C7、C12的容量,f为振荡频率(300kHz),RESR为输出滤波电容的等效串联电阻。

由上式可以计算出容量为47μF、ESR为50mΩ的两个电容器并联使用时的纹波电压为VR(5)≈42mV,VR(3.3)≈30mV。这里VR(5)为5V输出的脉冲电压,VR(3.3)为3.3V输出的脉动电压。

当负载电流较小时,MAX786处于空载方式,此时的纹波电压由VRC与CRR两部分相加而成。VRC为由输出滤波电容引起的脉动分量,VRR为其ESR引起的脉动分量。

3 注意事项

在设计时,应在以下几方面特别注意:

(1)印制版的布线:对于开关电源这种电源电路来说,电源性能的优劣常常取决于零件的选择、印制版上零件的配置和布线的好坏。

输出滤波电容C6引线长度的改变,将引起输出纹波电压的变化。同样的元件,由于引线长度不同,特性就会有较大的差异。特别是在高效率DC-DC变换器的,如果引线式元件的ESR过大,则应使用帖片式元件。

(2)功率MOSFET在选择时应由输入电压的最大值(30V)来选择功率MOSFET的漏-源间电压VDSS。接通时的控制电压是由VL端提供的5V电压,因此用逻辑电平来使之导通是比较理想的。另外,如果不选用反向恢复时间trr很快的二极管,则将降低电路的效率。

    为了进一步提高效率,我们希望选择接通电阻小功率MOSFET,但通常接通电阻低的器件的输入电容较大,反倒使损耗增加。并且有可能由于同步整流电路特有穿透电流的流动而使效率进一步恶化。作为一种大致的选择标准,以输入电容与接通电阻的乘积来进行选择比较合适。

在图4的MAX786应用电路中,Tr1~Tr6选用了日本的Si9410DY,它的特性如下:

●Qg=24nCtyp(Ciss=1200PF @VGS=10V)

●接通电阻30mΩ(VGS=5Vtyp)

●VDS=30V

在实际使用时,还必须经过上机确认。

(3)电流取样电阻应选择低阻值、耐冲击电流、电感分量小的器件。不能用线绕电阻,应采用片式电阻。

在输出电流大到几安培时,由于扼流圈所产生的漏磁场将影响其周边电路。因此在接近高灵敏度器件时,应使用封闭磁路型的扼流圈。所谓封闭磁路是指线圈用铁芯包裹以使磁力线难以外泄的一种结构。

(4)选用输入、输出滤波电容时,必须确认其ESR值与脉动电流的大小。特别当使用钽电容时,应选用具有规定浪涌电流的开关电源专用器件。此外确认其ESR值与脉动电流的大小。特别当使用钽电容时,应选用具有规定浪涌电流的开关电源专用器件。此外还必须注意电解电容的使用寿命。对这类电容,通常应选用ESR值小、体积小、容量大的器件,同时对负载的急剧变化应具有良好的特性,另外,还应具备稳定的温度特性。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2184.html
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