探秘MAX5021/MAX5022：隔離電源的理想PWM控制器

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)中，隔離電源的設(shè)計(jì)一直是一個(gè)關(guān)鍵且具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。今天，我們就來深入了解一款在隔離電源設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出色的產(chǎn)品——MAX5021/MAX5022電流模式PWM控制器。

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產(chǎn)品概述

MAX5021/MAX5022是專門為寬輸入電壓范圍的隔離電源設(shè)計(jì)而打造的，它集成了所有必要的控制電路。無論是通用輸入（85VAC至265VAC）的離線電源，還是電信領(lǐng)域（ - 36VDC至 - 72VDC）的電源，這兩款控制器都能完美適配。

產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

• 低功耗設(shè)計(jì)：具有大遲滯的欠壓鎖定（UVLO）電路，搭配低啟動(dòng)和工作電流，有效降低了啟動(dòng)電阻的功耗，還能使用陶瓷旁路電容。典型啟動(dòng)電流僅50μA，典型工作電流為1.2mA。
• 精準(zhǔn)的開關(guān)頻率：內(nèi)部修整的262kHz開關(guān)頻率，精度可達(dá)±12%，有助于優(yōu)化磁性和濾波組件，從而實(shí)現(xiàn)緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的電源設(shè)計(jì)。
• 靈活的占空比選擇：MAX5021最大占空比為50%，適合正激變換器；MAX5022最大占空比為75%，更適合反激變換器。
• 快速的電流限制響應(yīng)：逐周期電流限制響應(yīng)時(shí)間僅60ns，能快速應(yīng)對(duì)過流情況，保護(hù)電路安全。

封裝與工作溫度范圍

該產(chǎn)品提供6引腳SOT23、8引腳μMAX和8引腳DIP三種封裝形式，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，能適應(yīng)多種不同的應(yīng)用環(huán)境。

電氣特性剖析

欠壓鎖定與啟動(dòng)

當(dāng)輸入電壓（VIN）上升到22 - 26V時(shí)，欠壓鎖定喚醒；下降到9.3 - 10.9V時(shí)，進(jìn)入欠壓鎖定關(guān)機(jī)狀態(tài)。啟動(dòng)時(shí)，VIN為 + 22V時(shí)，典型啟動(dòng)電流為50μA。VIN的工作范圍是11 - 28V，欠壓鎖定的傳播延遲在上升和下降過程中分別為5μs和1μs。

內(nèi)部電源

VCC穩(wěn)壓器設(shè)定點(diǎn)在VIN為 + 11V至 + 28V，輸出電流從1μA到5mA時(shí)，范圍是7.0 - 10.5V。啟動(dòng)后，VIN的供電電流根據(jù)OPTO連接情況有所不同，連接到GND時(shí)為0.9 - 2.43mA，未連接時(shí)最小為0.4mA。

柵極驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗在源電流和灌電流為5mA時(shí)，分別為10 - 40Ω。驅(qū)動(dòng)器峰值灌電流為250mA，峰值源電流為150mA。

PWM比較器與電流限制比較器

PWM比較器的失調(diào)電壓為600 - 900mV，CS輸入偏置電流為 - 2 - + 2μA，比較器輸入到NDRV的傳播延遲在25mV過驅(qū)動(dòng)時(shí)為60ns，最小導(dǎo)通時(shí)間為150ns。電流限制比較器的跳閘閾值為540 - 660mV，傳播延遲同樣在25mV過驅(qū)動(dòng)時(shí)為60ns。

振蕩器與光耦輸入

開關(guān)頻率范圍是230 - 290kHz，MAX5021最大占空比為50 - 51%，MAX5022為75 - 76%。光耦上拉電壓在光耦源電流為10μA時(shí)最大為5.5V，上拉電阻為4.5 - 7.9kΩ。

典型工作電路與引腳說明

典型工作電路

從文檔中的典型工作電路可以看到，該電路包含了電源輸入、輸出、光耦反饋、MOSFET驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵部分，為我們展示了MAX5021/MAX5022在實(shí)際應(yīng)用中的連接方式。

引腳功能

不同封裝的引腳名稱和功能有所對(duì)應(yīng)，例如CS引腳用于PWM調(diào)節(jié)和過流保護(hù)的電流檢測，GND為電源地，NDRV連接外部N溝道MOSFET的柵極，VCC是柵極驅(qū)動(dòng)電源，VIN為IC電源，OPTO連接光耦晶體管的集電極等。

工作原理詳解

啟動(dòng)過程

啟動(dòng)時(shí)，VIN和VCC初始電壓為0V。施加線電壓后，C2通過啟動(dòng)電阻RS充電，當(dāng)達(dá)到一定中間電壓時(shí)，內(nèi)部參考和穩(wěn)壓器開始對(duì)C3充電。此階段器件消耗的偏置電流僅50μA，其余輸入電流用于對(duì)C2和C3充電。當(dāng)VCC電壓達(dá)到約9.5V時(shí)，C3充電停止，C2電壓繼續(xù)上升到24V的喚醒電平。一旦VIN超過UVLO閾值，NDRV開始切換MOSFET，將能量傳輸?shù)酱渭?jí)和三級(jí)輸出。若三級(jí)輸出電壓高于10V，則啟動(dòng)完成，進(jìn)入持續(xù)工作狀態(tài)。

欠壓鎖定（UVLO）

當(dāng)VIN超過24V時(shí)，器件嘗試啟動(dòng)。啟動(dòng)期間，UVLO電路關(guān)閉CPWM比較器、ILIM比較器、振蕩器和輸出驅(qū)動(dòng)器，以降低電流消耗。當(dāng)VIN達(dá)到24V時(shí)，這些模塊開啟，允許輸出驅(qū)動(dòng)器切換。若VIN低于10V，UVLO電路再次關(guān)閉這些模塊，使器件返回啟動(dòng)模式。

N溝道MOSFET開關(guān)驅(qū)動(dòng)器

NDRV引腳驅(qū)動(dòng)外部N溝道MOSFET，其輸出由內(nèi)部穩(wěn)壓器（VCC）供電，約為9V。對(duì)于通用輸入電壓范圍，MOSFET需能承受高線輸入電壓的直流電平以及變壓器初級(jí)的反射電壓，多數(shù)應(yīng)用中需選用額定電壓為600V的MOSFET。NDRV可提供150mA/250mA的峰值源/灌電流，因此要選擇能實(shí)現(xiàn)可接受導(dǎo)通和開關(guān)損耗的MOSFET。

內(nèi)部振蕩器

內(nèi)部振蕩器以1.048MHz的頻率工作，通過兩個(gè)D觸發(fā)器分頻至262kHz。MAX5021通過反轉(zhuǎn)最后一個(gè)D觸發(fā)器的Q輸出實(shí)現(xiàn)50%的占空比，MAX5022則對(duì)兩個(gè)D觸發(fā)器的Q輸出進(jìn)行邏輯與非運(yùn)算，提供75%的占空比。

光耦反饋

MAX5021/MAX5022沒有內(nèi)置誤差放大器，推薦用于光耦反饋電源。通過光耦和并聯(lián)穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)隔離電壓反饋，輸出電壓設(shè)定點(diǎn)的精度取決于并聯(lián)穩(wěn)壓器和電阻分壓器的精度。當(dāng)使用TLV431并聯(lián)穩(wěn)壓器進(jìn)行輸出電壓調(diào)節(jié)時(shí)，輸出電壓可由公式 (V{OUT }=V{REF } timesleft(1+frac{R 4}{R 5}right)) 計(jì)算（其中 (VREF =1.24 ~V) ）。

電流限制

電流限制由連接在MOSFET源極和地之間的電流檢測電阻RCS設(shè)定。CS輸入的電壓跳閘電平（VCS）為600mV，可通過公式 (R{CS}=frac{V{CS}}{I_{PRI}}) 計(jì)算RCS的值（其中IPRI為流經(jīng)MOSFET的初級(jí)峰值電流）。當(dāng)電流通過檢測電阻產(chǎn)生的電壓超過電流限制比較器閾值時(shí)，MOSFET驅(qū)動(dòng)器（NDRV）將在60ns內(nèi)快速終止電流導(dǎo)通周期。多數(shù)情況下，需要一個(gè)小的RC濾波器來濾除檢測波形上的前沿尖峰，拐角頻率設(shè)置在幾MHz。

應(yīng)用案例分析

通用離線電源

文檔中給出的5V/1A隔離電源設(shè)計(jì)，能在85VAC至265VAC的線電壓下工作，該電路在MAX5022EVKIT中實(shí)現(xiàn)。不過需要注意的是，離線電路中存在危險(xiǎn)和致命電壓，在構(gòu)建、測試和使用時(shí)要格外小心。

隔離電信電源

以 - 48VDC輸入產(chǎn)生隔離 + 5V輸出的電信電源為例，展示了MAX5021/MAX5022在電信領(lǐng)域的應(yīng)用。

布局建議

在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量縮短承載開關(guān)電流的走線長度，減小電流環(huán)路。SOT23封裝的引腳設(shè)計(jì)便于與外部MOSFET連接，其引腳順序與TO - 220或類似封裝的MOSFET相對(duì)應(yīng)。對(duì)于通用交流輸入設(shè)計(jì)，必須遵循所有適用的安全法規(guī)，離線電源可能需要UL、VDE等機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。開關(guān)電源中的噪聲主要來自高di/dt環(huán)路和高dv/dt表面，例如承載漏極電流的走線常形成高di/dt環(huán)路，MOSFET的散熱片是dv/dt源，因此要盡量減小散熱片的表面積。為獲得最佳性能，建議采用星型接地連接，避免接地環(huán)路，如電源線輸入濾波器、功率MOSFET開關(guān)和檢測電阻的接地回路應(yīng)通過寬銅走線分別連接到單一系統(tǒng)接地。

總結(jié)

MAX5021/MAX5022憑借其豐富的特性和出色的性能，為隔離電源設(shè)計(jì)提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。無論是在低功耗、高頻率穩(wěn)定性還是靈活的占空比選擇方面，都能滿足不同應(yīng)用的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景，合理選擇封裝形式、MOSFET等外部元件，并嚴(yán)格遵循布局建議，以確保電源的性能和穩(wěn)定性。大家在使用MAX5021/MAX5022進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有沒有遇到過什么有趣的問題或者獨(dú)特的解決方案呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。