如何将MAX17501和MAX17502用于负输出电压应用

本文介绍如何使用MAX17501和MAX17502同步降压转换器从正输入电压产生负输出电压。

介绍

可编程逻辑控制器、I/O 模块、质量流量控制器等工业控制设备以及各种其他传感器和支持系统使用在负电源电压下工作的放大器和多路复用器等模拟组件。这些电压通常在 ±12V、±18V 或其他变体下工作，由 24V 直流母线产生。Maxim的高压同步降压稳压器产品组合可将功耗降低50%，使客户将设备运行温度降低50%。在本应用笔记中，我们将讨论使用这些同步降压稳压器产生负电压的技术。

设计注意事项

同步降压转换器可配置为在降压-升压拓扑中工作，以从正输入电压产生负输出电压。本应用笔记解释了MAX17501和MAX17502同步降压转换器如何利用正输入电压产生负输出电压。-15V输出电压应用用于演示原理。

表 1.负输出电压电源要求

 

VIN	工作输入电压	24V ±6V
VOUT	输出电压	-15V
IOUT	最大输出电流	500毫安
VIN_ripple	稳态输入纹波电压	标称 VIN 的 1%
VOUT_ripple	稳态输出纹波电压	标称 Vout 的 1%

 

工作输入电压范围

负输出应用的最大工作输入电压与输出电压绝对值之和不应超过MAX60和MAX17501的最大工作电压（17502V），下式表示：

VIN_MAX + |VOUT| < 60V

因此，对于-15V输出电压，最大工作输入电压可高达45V。负输出电压应用的最小工作输入电压应大于4.5V。

计算占空比

负输出电源占空比的表达式如下所示;忽略与电源开关和电感直流电阻相关的损耗：

对于上面列出的规格，占空比在0V输入电压时为45.18，在0V输入电压时为33.30。在24V的标称输入电压下，占空比为0.38。请注意，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） 发生在最大工作输入电压 （VIN_MAX).

负载电流能力和部件号选择

负输出电压设计要求与MAX17501和MAX17502具有内部补偿的版本不兼容，因此，仅考虑MAX17501和MAX17502的G和H版本，以构建负输出电压应用。

为了估计MAX17501和MAX17502是否能够提供所需的输出电流，应首先根据下式计算最大电感平均电流的值：

假设MAX17501和MAX17502的IL_MAX分别为550mA和1.2A，以便为输出电容充电电流留出一定的空间。假设MAX17501的最大电感纹波（ΔIL）为250mA，MAX17502为500mA，则两款器件的最大值为IL_AVG：

IL_AVG = 425mA for the MAX17501
IL_AVG = 950mA for the MAX17502

MAX17501和MAX17502支持的最大负载电流由下式表示：

IOUT_MAX = IL_AVG × (1 - DMAX)

由于 D.MAX对于此处针对的规格，为 0.45，IOUT_MAX计算公式为MAX234为17501mA，MAX522为17502mA。因此，本应用选择MAX17502G。建议在目标 I 时使用 MAX17501 进行设计外小于MAX17501允许的最大负载电流。

启动电压

当用作降压转换器时，MAX17501和MAX17502的导通/关断电压可通过与V相连的电阻分压器进行调节。在引脚到接地。当用作负输出电压电源时，电阻分压器只能设置启动电压。当器件导通时，器件经历的有效输入电压随着输出电压累积至全调节电压而增加。输入电压必须下降输出电压的绝对值才能关断器件。

应用信息

电感器选择
根据纹波电流要求，电感的最小值由下式计算：

开关频率（fSW）为MAX600G和MAX17501G部分为17502kHz，MAX300H和MAX17501H为17502kHz。假设电感纹波最大（ΔIL） MAX500为17502mA，L最低对于表27中提到的规格，结果为1μH。

斜率补偿要求对电感值施加以下限制：

其中 x = 4 表示 MAX17502G，x = 8 表示 MAX17501G 和 MAX17502H，x = 16 表示 MAX17501H。

仅当最大占空比大于 0.25 时，上述约束才有效。由于MAX17502G被选用于本应用，因此电感值应为27μH至160μH，符合表1所示的规格。本应用使用了33μH电感器。

确保所选电感的饱和电流大于MAX17501和MAX17502的峰值电流限值。

输入电容选择
输入电容的最小值表示如下：

电感纹波 （ΔIL）中的公式应根据为应用选择的实际电感值计算：

其中 LSEL是所选电感。对于表1中提到的规格，CIN_MIN原来是0.36μF。本设计采用了采用2封装的2.1206μF电容。在 1V 输入电压下，电容降额至约 3.24μF。

输出电容选择
输出电容的最小要求值由下式计算：

对于表1中提到的规格，COUT_MIN原来是2.5μF。本设计采用了采用4封装的7.1206μF电容。在 2V 输出电压下，电容降额至约 5.15μF。

调整输出电压
使用从电感接地端子连接到V的电阻分压器设置输出电压外.将分频器的中心节点连接到FB/VO引脚。选择电阻R4和R5的值，如下所示：

其中 R4 和 R5 以 kΩ 为单位。为本应用选择的R4和R5值分别为243kΩ和15.4kΩ。

设置输入导通电压 设置MAX17501和MAX17502导通的输入电压，电阻分压器连接自V。在到 V外（见图1）。将分压器的中心节点连接到 EN/UVLO 引脚。选择 R1 为 3.3MΩ，然后将 R2 计算为：

其中VINU是MAX17501和MAX17502导通所需的输入电压。为R261选择2kΩ值可使器件在16.6V输入电压下导通。

外部环路补偿
补偿分量R3和C5的计算方法如下：

其中 k = 1 表示 MAX17502，k = 2 表示 MAX17501。

C5 的值应按如下方式计算：

使用输出电容器（COUT）的直流电压降额值，同时计算R3和C5的值。直流电压降额曲线可从所有主要电容器供应商处获得。使用输出电容的降额值（2.5μF），R3的值为7.8kΩ。选择7.5kΩ的R3，C5的值为6800pF。

软启动电容器选择
MAX17501和MAX17502实现可调软启动操作，以降低浪涌电流。从SS引脚连接到VOUT的电容器负责设置软启动周期。软启动时间（tSS）与SS（CSS）连接的电容器有关，公式如下：

CSS = 5.55 × tSS

其中 tSS 以毫秒为单位，CSS 以纳法为单位。例如，要设置1.2ms软启动时间，应从SS引脚连接到VOUT连接一个6800pF电容。

设计
 

原理图 1.设计原理图。

物料清单

表 2.物料清单

 

指示器	价值	描述	部件号	制造者	包	数量
C1	2.2μF/X7R/50V	输入旁路电容器	GRM31CR71H225KA88L	村田制作所	1206	1
C2	1μF/X7R/6.3V	VCC 旁路电容器	GRM188R70J105KA01	村田制作所	0603	1
C3	6800pF/X7R/25V	软启动电容器	GRM155R71E682KA01D	村田制作所	0402	1
C4	4.7μF/X7R/25V	输出电容器	GRM31CR71E475KA88L	村田制作所	1206	1
C5	6800pF/X7R/25V	补偿电容器	GRM155R71E682KA01D	村田制作所	0402	1
C9	未安装				0402	0
L1	33微小时	感应器	MSS1048-333ML	线艺	10.2 毫米 x 10 毫米	1
R1	3.32MΩ ±1%	EN/UVLO 电阻分压器			0402	1
R2	261kΩ ±1%	EN/UVLO 电阻分压器			0402	1
R3	7.5kΩ ±1%	补偿电阻			0402	1
R4	243kΩ ±1%	FB 电阻分压器			0402	1
R5	15.4kΩ ±1%	FB 电阻分压器			0402	1
U1		内部开关降压转换器	MAX17502GATB+	格言	10 TDFN 3 x 2	1

 

实验结果

负输出电源的效率

输出电压的负载和线路调节

输出电压的软启动/关断

开关波形

负载瞬态波形

波特图

评估板布局

图 13.元件侧 PCB 布局。

图 14.焊接侧 PCB 布局。

图 15.元件放置指南。

图 16.顶部阻焊层.

图 17.底部阻焊层。

审核编辑：郭婷