高压PWM电源控制器MAX5003

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1、1. MAX5003的主要特性MAX5003是Maxim公司新推出的电源控制器，亥芯片可用于设计隔离或非隔离的高电压反激或正激模式的DC-DC转换器，主要 特性如下：内置咼压启动电路，允i-l-:1- 许输入电压范围为11110V；工作频率高达300kHz, 外部可选用微型磁性元件和 电容器；采用QSOP封装，比SO-14封装的同类芯片小43%；设计灵活简单，可根据 需要进行设置：电流限制、 最大占空比、振荡频率、欠压 锁存和软启动等；具有外同步工作模式；精密的内部基准可保 证在全温范围内精度达 2.5%；电源电流仅2.2mA；输入前馈补偿，加速线 瞬态响应。VFTOIUTf - a-if f

2、lVW恤u，応覧I攵圧桥L-WP2 、番342. MAX5003的内部结构MAX5003的内部结构如图1所示，它在电压模式控制器的基础上增加了快输入电压前馈、可编程最 大占空比和高工作频率等功能。具有电流模式控制器的优点，能较好的控制环路带宽、输入电压变化 和保持相同周期响应及脉冲间限流等；同时也避免了噪声干扰和设计困难等不足。2.1内部稳压电路MAX5003在较宽的工作电压范围内可保持较低的功率损耗，输入电压可通过V+、ES、VDD三个输 入引脚接入。当输入电压较高时（36V至110V），输入由V+端连接到内部场效应管的漏极进行预稳压, 此时，输入与电源地（PGND）之间需接0.1p F的去

3、耦电容，预稳压器将输入电压降至足够低的电平， 以满足第一级低压差稳压器（V LDO）的要求，V LDO的输入端由ES引出，ES端应再加0.1p F的去DDDD耦电容。当最大输入电压低于36V时，将ES引脚与V+引脚相连并接0.1F的去耦电容。V LDO的输DD出端为V ,输出电压的典型值为9.75V，用来为欠压锁存电路和V LDO供电,V与AGND间加510p FDDCCDD的去耦电容。当最大输入电压低于18.75V时，输入电压可接在V端，在这种情况下，V作为电源输DDDD入端与V+、ES连接在一起。如果加在VDD的电压高于10.75V，则第一级LDO不工作，电流损耗只有 50p Ao因为V电

4、压对于外部N沟道MOSFET过高，所以在V LDO之后采用了第二级稳压电路，包括：DDDDV LD0、电源总线内部逻辑电路和模拟电路和外部功率MOSFET驱动器。V LDO带有锁存输出，当V LDOCCCCCC不工作时，可将N沟道MOSFET驱动器的输出与地短路。V LDO的输出电压为7.4V至12V，该电压除CC欠压检测电路、V锁存输出逻辑电路和线性稳压电源外，为MAX5003内部的所有电路供电。MAX5003驱动器输出用于驱动N沟道MOSFET,输出端灌出、吸入相当大的电流以满足MOSFET切换 时栅极电荷量的需要，该电流等效于栅极开关电荷量与工作频率的乘积，它决定了 MAX5003的降压

5、功 耗，VCC端应接较大的储能电容（5p F10p F）。驱动器可灌出560mA、吸入1A瞬态电流，源阻抗典 型值为4Q，空载输出电平为VC。带隙基准源提供3V的基准电压，引出脚为REF，输出电流可达1mA。当VREF低于标称值200mV时， 锁存输出REFOK将关断振荡器和输出驱动电路。由于V为误差放大器提供基准，V的变化将直接影REFREF响电压的稳定输出，因此，应尽量减小REF端的负载。2.2欠压检测和关断控制当INDIV端的电压低于1.2V时，欠压检测器（滞回电压为120mV）产生一欠压锁存信号，用于关 闭控制器；当INDIV端的电压高于1.2V + 0.12V（滞回）=1.32V时，

6、控制器重新开启。INDIV端的信 号由连接在电源与AGND端的电阻分压器（R1、R2）提供，该信号也可作为快输入前馈电路的信号。利 用欠压检测功能，可将INDIV引脚作为关断控制端，通过外接一个对地的开关即可实现关断控制。2.3电流检测与误差放大电流检测（CS ）比较器及其相关的逻辑电路用于限制流过功率开关管的电流，在外部功率开关 MOSFET的源极与地之间接一限流电阻Res, CS引脚的电压与流过R的电流相对应，通过检测CS端的CS电压可对流过功率开关管的电流加以监测。通常在CS端与MOSFET源极之间连接一个100Q电阻或RC 低通滤波器（图2）。当功率MOSFET关断时，CS接地；重新开

7、启时，CS将保持接地状态70ns，以避 免开关瞬态噪声引起的误操作。当V 100mV时，功率开关管被关断，从开关电流超出门限值到驱动电CS路断开的延迟时间为240ns。如果不需要电流限制，CS引脚应接PGND。MAX5003内部误差放大器为一积木式模块，为MAX5003的应用提供了灵活性。放大器的单位增益带 宽为1.2MHz，开环增益为80dB，单位增益稳定。其同相输入端偏置在1.5V，由内部3V基准源提供。 反相输入端的引出脚为FB,是稳压反馈连接端。不使用误差放大器时应将FB引脚接地。把误差放大器 的输出连接到PWM比较器的输入端CON，可用于频率补偿。2.4 PWM比较器脉宽调制（PWM

8、）把误差放大器输出的电压误差信号与三角波斜升电压（RAMP）相比较，将电压误 差转换成占空比。RAMP的电压范围为0.52.5V, PWM比较器滞回电压典型值为5.6mV,延迟100ns，比 较器输出用于控制外部场效应管。MAX5003的软启动功能降低了开启时的浪涌，当采用多个转换器时，软启动电路还可确定上电顺序。 上电时，SS端的外接电容通过SS引脚放电，一旦内部基准源的电压超出其锁存输出门限值，SS引脚 即开始对其外接电容充电并控制输出电压线性上升。转换器输出电压达到满幅输出的时间近似 0.45s/p F。SS是PWM比较器的一个强制性控制端，只要SS端的电压低于VCON，PWM比较器的输

9、出占 空比就由SS端的电平确定；当SS端的电压高于VCON时，将失去对PWM比较器输出的控制作用。稳态 时，SS端的电压为VCCo2.5振荡器与三角波发生器MAX5003内部的振荡器与三角波发生器用于为PWM比较器提供一斜升信号（RAMP），该信号又进一 步转换成不同占空比的脉冲信号，同时也用于控制外部功率管的最大导通时间。振荡器有两种工作模 式：自激振荡和外同步。FREQ引脚亦有两个功能：外接电阻用于设置振荡频率和外同步输入。振荡器 工作模式依照FREQ引脚的电平自动识别。在自激振荡模式下，内部电路为FREQ引脚提供1.25V的电压，振荡频率与该引脚外接电阻流过的 电流成正比，比例系数为16

10、kHz/p A。在外同步模式下，外部主发生器必须提供矩形方波，频率为电源 控制器工作频率的四倍，可接受的最小脉冲宽度为150ns，最大工作频率为1.2MHzo当FREQ引脚的加 载电压高于2.7V时,振荡器为外同步模式；如果检测到FREQ点的电压低于1.5V的时间在8p s到20p s， 则振荡器进入自激振荡状态。两种模式下，最大导通时间均低于75%，是RAMP由最小值0.5V上升到 最大值2.5V所用的时间，具体时间可由MAXTON引脚的外接电阻确定。MAXTON在内部由V驱动，该引脚与AGND之间需接电阻R ，由于RAMP信号的范围是固定的，INDIVMAXTON因此，改变RAMP的斜率就

11、可以改变最大导通时间，RAMP的斜率与V 成正比，与R 成反比。当VINDIVMAXTONCON保持不变时，改变RAMP的斜率同样能够改变占空比和电源转换器每个周期馈送给负载的能量。最大占 空比可由下式计算：D =100T /TMAXMAXTON其中：D为最大占空比（）, T 为最大导通时间，T为开关周期。MAXMAXTON3. 典型应用用MAX5003设计具体的电源时，需已知四个参数：输入电压、输出电压、负载电流和占空比o PWM 控制器通过检测输入电压与输出电压调整占空比，最终达到稳压的目的。电源控制器有两种工作模式：连续工作模式和非连续工作模式。在非连续工作模式下，每个工作 周期终止时电

12、感上都没有储能，频率响应特性只有一阶主极点和一个高频零点，该极点由负载电阻和 输出滤波电容确定，零点由输出滤波电容的等效串联电阻（ESR ）确定。这时，在保持一个合理的快速 环路响应的同时，系统能够在很宽的工作条件下保持稳定。连续工作模式下，在任何时候电感上均有 储能，电感、电容共同作用产生一对极点，而且在频率响应曲线的右半部产生一零点，这种响应特性 难以补偿，这时，系统只能做到有条件的稳定。为避免设计困难，一般选择非连续工作模式，此时需 计算最小输入电压和最大负载下的变压器原边电感值，并应对最大占空比加以限制，MAX5003的占空比 可由用户加以控制，这恰好满足非连续工作模式电源设计的需求。

13、MAX5003可广泛应用于电信设备和42V汽车电子仪表等。一个简单的电信设备通常包括用于处理 高速数据的接口板（如SMT-1）、系统控制板及其它附加功能板，通常需要将一48V （输入范围为一42 -60V或一36一76V）电压转换为5V/2A、3.3V/3A和1.8V/2A的电源，利用MAX5003实现一48+ 5V惘2 口虫由-計电璋習抡的隔离转换电路如 图2所示，利用 MAX1627还可再将 5V电压转换为3.3V 或更低（1.8V）。4. 外部元器件的选择图2中给出了各外部元器件的主要参数，读者可以在设计时参考，另外对于下述元器件还应注意 以下问题。4.1功率开关管MAX5003的外部功

14、率开关管为N沟道MOSFET，主要考虑参数为最大漏极电压、最大导通电阻R DG（ON） 和栅极开关电荷量。其中，栅极开关电荷量将直接影响MAX5003的内部功耗，导通电阻R 决定开关DG（ON）的总功耗。具体选择时需考虑效率、散热、封装形式等，最大漏极电压的设置与系统结构有关，如采 用反激式结构，最大漏极电压为最大输入电压与变压器副边反射电压、开关导通时的自激电压、漏电 感产生的尖峰电压的和,MOSFET的最佳选择是在保证满足最大漏极电压的条件下，总开关电荷量与RDG（ON） 最小。4.2变压器依照设计过程中计算出的有关参数，应尽量选用现有的标准型，主要应考虑：饱和电流、原级电 感量、匝数比、

15、损耗等参数以及封装形式、EMI辐射、磁化系数等因素，在安装时引线要尽量短，为抑 制EMI辐射，还需加外部屏蔽；输入电压较高时，也要考虑绝缘。4.3电容器由于MAX5003为高频电源，滤波电容需具有极低的等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)。工 作频率为300kHz时，最好选用瓷片电容或有机半导体(OS CON)电容。ESR是较为关键的参数，特别 是反馈网络中的电容。4.4二极管二极管的选择取决于输出电压的范围，二极管的正向导通压降直接影响系统的损耗，须选择低导 通压降二极管，最好选用肖特基二极管。压应用中，肖特基二极管的反向电压无法满足要求，可选用 快恢复二极管，另外，任何情况下都需考虑峰值电流、平均电流、最大反向电压以及所能允许的二极 管损耗。