如何将MAX20058和MAX20059用于负输出电压应用

本文介绍如何在反相降压-升压（IBB）配置中使用MAX20058和MAX20059同步转换器从正输入电压产生负输出电压。这些类型的系统在各种汽车应用中变得越来越普遍。这些反相电压用于 EV/HEV 车辆或 ADAS 应用中的不同应用，例如 APD 偏置电源或栅极驱动偏置电源。

介绍

对ADAS功能的需求不断增长，EV/HEV的引入提高了汽车应用中对电子内容的需求，推动了对各种电源管理解决方案的需求。许多应用，如用于 LIDAR（光检测和测距）应用的 APD 偏置电源、栅极驱动器偏置电源、控制器偏置和其他传感器都需要负输出电压轨。

Maxim高压同步降压稳压器产品组合具有低功耗、小解决方案尺寸和低噪声等特点，可满足客户严格的汽车要求。本应用笔记演示了使用同步降压稳压器（MAX20058/MAX20059）产生负电压的技术。

设计注意事项

MAX20058/59 IC可配置为反相降压-升压拓扑结构，从正输入电压产生负输出电压。本应用笔记解释了该过程。-24V输出电压应用用于演示原理。

表 1.负输出电压（电源要求）

 

V在	工作输入电压	5V 至 40V
V外	输出电压	-24V
我外	最大输出电流	50毫安
f西 南部	开关频率	600千赫
V在_脉动	稳态输入纹波	标称值的 1%在
V外_脉动	稳态输出纹波	标称值的 1%外

 

工作输入电压范围

最大工作输入电压和输出电压绝对值之和不得超过负输出应用的最大工作电压（MAX20059为80V，MAX20058为65V）。它表示为：

VIN_MAX + |VOUT |< 80V

因此，对于-24V输出电压，最大工作输入电压可高达56V。负输出电压应用的最小工作输入电压必须大于4.5V。

计算占空比

占空比和输出电压（忽略与功率开关和电感直流电阻相关的损耗）表示如下：

占空比在 5V 时为 0.83 至 40V 输入电压时为 0.38 之间变化。最高占空比（D.MAX） 发生在最小工作输入电压和最低占空比 （D最低） 在最大工作输入电压 （V在_最大值）。

应用信息

选择电感器

指定器件操作的三个关键电感参数：电感值 （L）、电感饱和电流 （I坐），和直流电阻 （RDCR）。选择电感峰峰值交流电流与直流平均电流（LIR）的比值，以选择电感值。40%峰峰值纹波电流与平均电流之比（LIR = 0.4）是尺寸和损耗之间的良好折衷。MAX20059在PWM（脉宽调制）模式下的峰值电流限值为1.6A。然后，开关频率、输入电压、输出电压和所选 LIR 确定电感值，如下所示：

V外我外，此处为 fSW 的标称值。选择最接近计算值的低损耗电感器，该电感器具有可接受的尺寸和尽可能低的直流电阻。饱和电流额定值（I坐）的电感必须足够高，以便饱和仅发生在峰值限流值以上。下一个公式确保内部补偿斜率大于电感电流下降斜率的50%：

 

表 2.内部斜率补偿与开关频率的关系

 

开关频率（千赫）	内部斜率补偿 m（V/μs）
200	0.03676
300	0.05514
400	0.07576
600	0.11364
2000	0.3676

 

选择 LMIN1 和 LMIN2 中较大的一个作为标称电感值：

L = 最大值？（L最小值1，L分钟2)

选择标准电感值最接近L的电感器。所选电感的饱和电流必须大于MAX20059的峰值电流限值，峰值电流必须小。

小电感可以减少右半平面对交越频率相位裕量的负面影响。在此选择56μH电感器。

选择输入电容

输入电容对于降低从输入电源汲取的电流峰值、提高效率和减少噪声注入非常重要。CIN的值很大程度上取决于输入电源的源阻抗。源阻抗越高，输入电容越高。在MAX20059的输入端放置一个陶瓷电容，以减小电压纹波。根据汽车行业标准，建议使用 X7R 陶瓷电容器。以下公式确定此设计所需的最小值：

选择2.2μF、100V和10%X7R是因为电容的降额值。陶瓷电容器中的实际电容根据施加的直流电压适当降额。有关更准确的降额模型，请参阅陶瓷电容器的制造商数据表。

选择输出电容

输出纹波包括 ？VQ（由电容器放电引起）和？V红沉降率（由输出电容器的ESR引起）。在输出端使用低 ESR 陶瓷或铝电解电容器。这？V红沉降率为铝电解电容器提供整个输出纹波。输出滤波电容必须具有足够的电容和足够低的ESR，以满足输出纹波要求。为满足规定的输出电压纹波，输出电容的计算公式为：

当使用低ESR（例如陶瓷）输出电容器时，尺寸通常取决于在负载瞬变期间将输出电压保持在规格范围内所需的电容。估计为：

V裁判是反馈电压的基准，值为0.8V，GM为跨导误差放大器的增益，值为60μA/V（典型值），R比较是补偿网络电阻，值为185kO，R我电流检测增益为 0.5 （典型值）， fC是所需的环路交越频率，假设为10kHz。

选择较大的 C C外（MIN1） 和 C外（MIN2） 作为输出电容。

C外= 最大值？（C输出（最小1），C输出（最小2)

选择2.2μF、100V和10%X7R是因为电容的降额值。在涉及C的任何计算中考虑电容容差、温度和电压降额外.陶瓷输出电容器中的实际电容根据施加的直流电压适当降额。有关更精确的降额模型，请参阅制造商的输出电容器数据手册。

选择前馈帽

通过并联C增加相位裕量和带宽6反馈电阻分压器的顶部电阻R5在所需交越频率（fC).为 R 分配固定值5并改变 R6以设置输出电压。

47pF电容可以增加相位裕量和带宽。此设计不使用前馈帽。

调整输出电压

使用从电感接地端子连接到输出电压的电阻分压器设置输出电压。将分频器的中心节点连接到FB（反馈）引脚。为 R 分配固定值5并改变R6以设置输出电压。选择电阻器R的值5和 R6如：

这里，R5 和 R6 以 kO 为单位，它们的值分别为 294kO 和 10kO。

设置输入导通电压

设置输入电压，通过V连接阻性分压器接通MAX20059在到 V外 (图2）。将分压器的中心节点连接到 EN/UVLO（使能/欠压锁定）引脚。选择 R1作为 3.32MO 并计算 R2使分压器中心节点中的电压高于EN阈值（1.115V）。

在这里，V在是打开MAX20059的输入电压。安·2值为 750kO 时，在大约 6V 输入电压下导通。

内部环路补偿

内部补偿网络如下：

图 1.内部补偿网络。

选择软启动电容器

MAX20059实现可调软启动操作，以降低浪涌电流。从SS（软启动）引脚连接到V的电容器外对软启动周期进行编程。软启动时间（t党卫军） 与连接在 SS （C ） 处的电容器有关党卫军） 通过以下等式：

C党卫军= 6.25 × t党卫军

在这里，t党卫军以毫秒为单位，C党卫军在纳法拉中。例如，必须将一个12nF电容从SS引脚连接到V。外以编程 2ms 软启动时间。

设计原理图

图 2.设计原理图。

参考设计 1

V在= 5V 至 40V， V外= -24V， I外= 50mA 和 f西 南部= 600kHz。

物料清单

表 3.参考设计的材料清单 1

 

德格纳托	价值	描述	部件号	制造者	包	数量
C1	2.2μF/X7R/100V	输入旁路电容器	GRM32ER72A225KA35	村田制作所	1206	1
C2	1μF/X7R/6.3V	VCC 旁路电容器	GRM188R70J105KA01	村田制作所	0805	1
C3	12000pF/X7R/25V	软启动电容器	软启动电容器	村田制作所	0603	1
C4	2.2μF/X7R/100V	输出电容	C1210X225K1RAC7800	基美特	1210	1
C5	不焊接					1
R1	3.32M ±1%	EN/UVLO 电阻分压器	CRCW04023M32FK	维谢·戴尔	0402	1
R2	750k ±1%	EN/UVLO 电阻分压器	CRCW0402750KFK	维谢·戴尔	0402	1
R3	243k ±1%	电流限制和工作模式	ERJ-2RKF2433X	松下	0402	1
R4	69.8K±1%	设置开关频率和电流限制	CRCW0402105KFK	维谢·戴尔	0402	1
R5	294k1/2 ±1%	FB 电阻分压器	CRCW0402294KFKED	维谢·戴尔	0402	1
R6	10k1/2 ±1%	FB 电阻分压器	CRCW040210K0FKEDC	维谢·戴尔	0402	1
L1	56微小时	感应器		沃斯		1
U1	MAX20059	内部开关降压转换器		美信集成	10 TDFN 3 x 3	1

 

实验结果
典型性能

图 3.50mA负载、5VIN、-24V时的稳态工作外和 600kHz。

图4.空载至50mA、5V的负载瞬态响应在， -24V外和 600kHz。

图5.50mA 负载、5V 时的波特图在， -24V外和 600kHz。

审核编辑：郭婷