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| 参考设计3912
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包含12V buck转换器的低成本用电设备完整方案 |
摘要：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。
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：
- 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。
- 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。
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
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
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
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
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
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 |
| 相关型号 | |
APP 3912: Mar 28, 2007
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