MAX17687：高效隔离式降压DC - DC转换器的设计指南

在电子工程师的日常工作中，电源设计是一个至关重要的环节。今天我们要深入探讨的是Maxim Integrated推出的一款高性能产品——MAX17687，这是一款4.5V至60V输入、超小型、高效的隔离式降压DC - DC转换器，它在众多应用领域展现出了卓越的性能。

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产品概述

RAINIER系列隔离式DC - DC产品以其小体积、高效率和低BOM成本的优势脱颖而出。MAX17687作为其中一员，能够提供高达10W的隔离电源。它的输入电压范围宽达4.5V至60V，采用原边反馈来调节输出电压，能输出高达3.2A的原边峰值电流，并且将原边输出电压调节在 ±1.2%以内。其工作温度范围为 -40°C至 +125°C，采用紧凑的20引脚（4mm x 4mm）TQFN封装，还提供仿真模型，方便工程师进行设计和验证。

应用领域

MAX17687的应用范围非常广泛，涵盖了工业过程控制、智能电表中的通信枢纽、医疗设备中的隔离电源以及浮动电源生成等领域。这些应用场景对电源的稳定性、效率和隔离性能都有较高的要求，而MAX17687正好能够满足这些需求。

产品特性

1. 减少外部组件与成本

• 同步原边操作：实现了高效率和低成本，通过同步整流技术，减少了能量损耗，提高了电源转换效率。
• 全陶瓷电容与超紧凑布局：使用全陶瓷电容不仅提高了电路的稳定性，还使得布局更加紧凑，节省了电路板空间。
• 宽输入电压范围：4.5V至60V的输入电压范围，使得该转换器能够适应不同的电源环境，增强了其通用性。
• 高电流输出：能够输出高达3.2A的峰值电流，满足了许多负载对大电流的需求。
• 可调节频率：支持100kHz至500kHz的可调频率，并具备外部同步功能，方便工程师根据具体应用需求进行调整。
• 紧凑封装：20引脚、4mm x 4mm的TQFN封装，适合对空间要求较高的应用场景。

2. 降低功耗

• 高效率：峰值效率超过90%，意味着在电源转换过程中能够减少能量损耗，提高能源利用率。
• 低关机电流：关机电流仅为2.8μA（典型值），在设备不工作时能够显著降低功耗，延长电池续航时间。

3. 恶劣工业环境下的可靠运行

• 多种保护机制：具备打嗝模式电流限制、灌电流限制和自动重试启动功能，能够在出现过流等异常情况时自动保护设备，提高了系统的可靠性。
• 可编程EN/UVLO阈值：用户可以根据实际需求设置使能/欠压锁定阈值，灵活控制设备的启动和关闭。
• 可调软启动：通过可编程软启动功能，能够减少输入浪涌电流，保护电源和负载设备。
• 宽温度范围：工作温度范围为 -40°C至 +125°C，结温范围为 -40°C至 +150°C，能够适应恶劣的工业环境。

电气特性

MAX17687的电气特性非常丰富，包括输入电源、使能/欠压锁定、LDO、功率MOSFET、软启动、反馈、电流限制、RT和同步、复位以及热关断等方面。例如，输入电压范围为4.5V至60V，输入静态电流在关机模式下为2.8μA（典型值），LDO输出电压范围为4.75V至5.25V等。这些电气特性为工程师在设计电路时提供了详细的参数依据。

引脚配置与功能

MAX17687的引脚配置清晰明确，每个引脚都有其特定的功能。例如，VIN引脚用于电源输入，EN/UVLO引脚用于使能/欠压锁定输入，RESET引脚用于提供延迟的电源良好信号，SYNC引脚用于外部频率同步等。了解这些引脚的功能对于正确使用该转换器至关重要。

详细设计指南

1. 线性稳压器（VCC）

内部线性稳压器（VCC）为内部模块和低侧MOSFET驱动器提供5V的标称电源。输出应使用2.2μF陶瓷电容旁路到地，当VCC低于3.8V（典型值）时，欠压锁定电路会禁用内部线性稳压器。该线性稳压器能够提供高达20mA的电流。

2. 设置开关频率（RT）

通过在RT引脚和SGND之间连接一个电阻，可以将开关频率从100kHz编程到500kHz。开关频率（fSW）与连接在RT引脚的电阻（RRT）之间的关系为：(f{SW} approx frac{21 times 10^{3}}{R{RT}})（其中RRT单位为kΩ，fSW单位为kHz）。若RRT引脚悬空，则设备以默认的250kHz开关频率运行。

3. 外部频率同步（SYNC）

内部振荡器可以通过SYNC引脚与外部时钟信号同步。外部同步时钟频率必须在1.1 x fSW至1.4 x fSW之间，且最小外部时钟脉冲宽度高应大于50ns。

4. 使能输入（EN/UVLO）和软启动（SS）

当EN/UVLO电压高于1.215V（典型值）时，设备启动软启动序列，软启动持续时间取决于连接在SS引脚和地之间的电容值。5μA电流源对电容充电，使SS引脚电压上升，作为内部误差放大器的参考，从而使输出电压从零单调增加到最终设定值。EN/UVLO还可用于调整输入欠压锁定电平。

5. 过流保护/打嗝模式

当出现失控电流限制、软启动完成后反馈电压降至0.58V（典型值）、EN/UVLO < 1.09V且VCC > 3.8V或连续16次负电流限制事件发生时，MAX17687进入打嗝模式。在打嗝模式下，转换器进入32,768个时钟周期的打嗝超时周期，期间高侧开关关闭，低侧开关以最大98%的占空比开启，直到负电流限制达到0.6A。超时周期结束后，尝试再次软启动。

6. 复位输出

RESET比较器用于监测原边输出电压，开漏RESET输出需要外部上拉电阻。当原边输出电压低于标称调节电压的92.5%时，RESET输出低电平；当原边输出电压高于标称调节电压的95.5%后1024个开关周期，RESET输出高电平。在热关断时，RESET也会输出低电平。

7. 热关断保护

当器件结温超过 +165°C时，片上热传感器会关闭设备，待结温下降10°C后再开启。热关断时软启动会复位，因此在设计时需要仔细评估总功耗，避免正常运行时触发热关断。

应用设计要点

1. 变压器参数选择

• 原边输出电压选择：原边输出电压由MAX17687控制环路调节，可通过公式 (V{PRI}=D{MAX} × V_{IN_MIN }) 计算，其中DMAX为转换器的最大占空比，VIN_MIN为最小输入电压，理想的最大占空比范围为0.4至0.6。
• 调节原边输出电压：通过连接从原边输出到FB再到地的电阻分压器来设置原边输出电压。选择R2在10kΩ至100kΩ范围内，使用公式 (R 1=R 2 timesleft(frac{V_{PRI}}{0.9}-1right)) 计算R1。
• 匝数比选择：忽略寄生电阻，隔离式降压输出电压VOUT与原边输出电压VPRI成正比，可通过公式 (frac{N{SEC}}{N{PRI}}=frac{V{OUT}+V{D}}{V_{PRI}}) 选择匝数比（K），其中VD为二极管正向压降。
• 原边电感选择：原边电感值决定了变压器中的纹波电流，可通过公式 (L{PRI}=frac{V{PRI}}{f{SW}}) 计算所需的原边电感，使用公式 (Delta I=frac{V{P R I} timesleft(1-frac{V{P R I}}{V{I N}}right)}{f{S W} × L{P R I}}) 计算原边纹波电流。
• 绕组峰值和RMS电流：根据不同的公式计算原边和副边绕组的峰值和RMS电流，以确保变压器能够满足负载需求。
• 漏感：变压器漏感（L_LEAK）对输出电压调节起着关键作用，为了获得更好的输出电压调节效果，应将漏感降低到原边电感值的1%以下。
• 原边负峰值电流：当低侧开关导通时，原边电流可能为负，可通过公式 (I_NEGPK_PRI =(-IOUT x K x(1+D) /(1-D))-Delta I / 2) 计算原边负峰值电流。

2. 电容选择

• 原边输出电容选择：使用公式 (C{PRI}=frac{K × I{OUT } × D{MAX}}{f{SW} × 0.01 × V_{PRI}}) 计算所需的原边输出电容，工业应用中首选X7R陶瓷输出电容。
• 副边输出电容选择：使用公式 (C{OUT }=frac{I{OUT } × D{MAX }}{f{SW} × 0.01 × V_{OUT }}) 计算副边输出电容，同时要考虑陶瓷电容在直流偏置下的电容损耗，进行适当降额。
• 输入电容选择：使用公式 (C{I N}=frac{K × I{OUT } × D{M A X} timesleft(1-D{M A X}right)}{f{S W} × Delta V{I N}}) 计算所需的输入电容，通常推荐使用陶瓷输入电容，在电源与设备输入距离较远时，可并联电解电容。

3. 二极管选择

副边整流二极管应能够承受副边峰值电流和高侧开关导通时的反向电压，选择正向压降较小的肖特基二极管可获得更好的输出调节效果。使用公式 (P K{-} DIODE =frac{2 × I{OUT }}{(1-D)}) 计算二极管的峰值电流额定值，使用公式 (V{DIODE }=2 timesleft(left(V{INMAX }-V{PRI}right) × K+V{OUT }right)) 计算二极管的峰值反向电压额定值，使用公式 (P{DIODE }=V{D} × I{OUT }) 计算二极管的功耗。

4. 最小负载要求

在轻载条件下，由于变压器漏感和寄生电容的影响，隔离式降压转换器的输出电压会过度升高。通常，10%至20%的满载最小负载足以将转换器输出电压调节在 ±5%以内。在测试原型后，应验证输出电压调节情况。可使用串联电阻和齐纳二极管作为过压保护电路，齐纳二极管阈值可选择比标称调节输出电压VOUT高15%，串联电阻（R1）值可在30Ω至60Ω范围内。

5. 软启动电容选择

通过在SS引脚和SGND之间连接电容来编程软启动时间，所选输出电容（CSEL）和输出电压（VOUT）决定了所需的最小软启动电容，使用公式 (C{S S} geq 28 × 10^{-6} × C{SEL } × V{PRI}) 计算。软启动时间（tSS）与连接在SS引脚的电容（CSS）的关系为 (t{S S}=frac{C_{S S}}{5.55 × 10^{-6}})。

6. 设置输入欠压锁定电平

通过连接从VIN到EN/UVLO再到地的电阻分压器来设置设备开启的电压。选择R1最大为3.3MΩ，使用公式 (R 2=frac{R 1 × 1.215}{left(V_{INU }-1.215right)}) 计算R2，其中VINU为设备需要开启的电压。

7. 外部环路补偿

MAX17687采用峰值电流模式控制方案，只需要一个简单的RC网络来实现稳定的控制环路。使用公式 (R{Z}=1100 × f{C} timesleft[C{OUT } times(1-D) × K^{2}+C{P R I}right] × V{P R I}) 、 (C{P}=frac{1}{pi × f{S W} × R{Z}}) 和 (C{Z}=frac{5}{pi × f{C} × R_{Z}}) 计算补偿组件，其中fC选择为开关频率的1/20。

8. 功耗计算

在特定的工作条件下，可使用公式 (P{LOSS }=P{OUT } timesleft(frac{1}{eta}-1right)-left(I_{PRIRMS }^{2} × R{PRI}right)-left(I_{SECRMS }^{2} × R{SEC }right)-left(V{D} × I{OUT }right)) 估算导致设备温度升高的功率损耗，其中POUT为输出功率，η为功率转换效率，RPRI为变压器的原边电阻，RSEC为变压器的副边电阻，VD为二极管压降。使用公式 (T{J _M A X}=T{A{-}} M A X+left(theta{J A} × P_{L O S S}right)) 估算设备在给定最大环境温度（TA_MAX）下的结温，若有热管理系统确保设备暴露焊盘保持在给定温度（TEPMAX），则使用公式 (T{J _M A X}=T{E P _M A X}+left(theta{J C} × P_{L O S S}right)) 估算结温。

PCB布局指南

在进行PCB布局时，需要注意以下几点：

• 减少电感：所有承载脉冲电流的连接必须尽可能短且宽，以将电感降至最低，因为电流的高di/dt特性使得电感对电路性能影响较大。同时，减小电流环路面积可以降低辐射EMI。
• 电容放置：陶瓷输入滤波电容应靠近IC的VIN引脚放置，以消除走线电感的影响，为IC提供更干净的电压供应。VCC引脚的旁路电容也应靠近引脚放置，以减少走线阻抗的影响。
• 接地分离：模拟小信号地和开关电流的功率地应分开，在开关活动最小的点（通常是VCC旁路电容的返回端）连接在一起，以保持模拟地的安静。接地平面应尽可能保持连续和完整，避免在任何接地平面不连续处直接放置承载高开关电流的走线。
• 散热设计：在器件的暴露焊盘下方提供多个连接到大型接地平面的散热过孔，以实现高效的散热。可参考www.maximintegrated.com上的MAX17687评估套件布局，以确保首次设计成功。

总结

MAX17687是一款功能强大、性能卓越的隔离式降压DC - DC转换器，它在宽输入电压范围、高效率、小体积和多种保护功能等方面表现出色。通过合理的设计和布局，工程师可以充分发挥其优势，满足不同应用场景的需求。在实际设计过程中，你是否遇到过类似电源转换器的设计难题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。