探秘MAX15059：76V、300mW升压转换器与电流监测器

在电子设计领域，为特定应用选择合适的升压转换器和电流监测器至关重要。今天，我们就来深入了解一下Maxim Integrated推出的MAX15059，一款专为雪崩光电二极管（APD）偏置应用设计的76V、300mW升压转换器和电流监测器。

文件下载：MAX15059.pdf

一、产品概述

MAX15059是一款恒频脉宽调制（PWM）升压DC - DC转换器，具备内部开关和高端电流监测器，还带有高速可调电流限制功能。它能在2.8V至5.5V的输入电压下工作，可产生高达76V的输出电压（MAX15059A为300mW，MAX15059B为200mW），并能提供高达4mA的电流监测。

1. 关键特性

• 宽输入输出电压范围：输入电压范围为+2.8V至+5.5V，输出电压范围从（VIN + 5V）到76V，能满足多种不同的应用需求。
• 高效内部MOSFET：内部集成1Ω（典型值）、80V的MOSFET，有助于实现高效的升压转换。
• 精确电流监测：具有精确的±5%（1:1和5:1）高端电流监测功能，可监测500nA至4mA的电流，动态范围超过三个数量级。
• 快速电流限制：电阻可调的超快速APD电流限制功能，响应时间仅1μs，能有效保护APD免受光功率瞬变的影响。
• 低功耗设计：具有关机模式，关机电流最大仅2μA，可有效节省功耗。
• 宽温度范围：工作温度范围为-40°C至+125°C，适用于各种恶劣环境。
• 小封装设计：采用热增强型、无铅的16引脚TQFN - EP封装，尺寸仅为3mm x 3mm，节省电路板空间。

2. 典型应用

• 雪崩光电二极管偏置和监测：为APD提供稳定的偏置电压，并监测其电流。
• PIN二极管偏置电源：满足PIN二极管的偏置需求。
• 低噪声变容二极管偏置电源：为变容二极管提供低噪声的偏置电压。
• FBON模块和GPON模块：在光纤通信模块中发挥重要作用。

二、电气特性

1. 输入电源特性

• 电源电压范围：2.8V至5.5V，确保在不同电源条件下都能稳定工作。
• 电源电流：在不同温度和工作条件下，电源电流有所不同。例如，在VFB = 1.4V、无开关操作时，TA = -40°C至+85°C时，典型值为0.6mA，最大值为1.2mA；TA = +125°C时，最大值为1.35mA。
• 欠压锁定阈值：VIN上升时，欠压锁定阈值为2.475V至2.775V，确保在输入电压过低时能及时保护器件。
• 欠压锁定迟滞：为200mV，可避免因输入电压波动而导致的误操作。
• 关机电流：关机模式下，电流最大仅2μA，有效降低功耗。

2. 升压转换器特性

• 输出电压调整范围：从（VIN + 5V）到76V，可根据实际需求进行灵活调整。
• 开关频率：固定为400kHz，有助于在低噪声应用中实现轻松滤波。
• 最大占空比：在VIN = 2.8V时，最大占空比为88%至92%，确保高效的升压转换。
• FB设定点电压：典型值为1.23V，可通过外部电阻进行调整。
• 内部开关导通电阻：在不同温度和电流条件下有所不同，TA = -40°C至+85°C、LLx = 100mA、VIN = 2.8V时，典型值为1Ω，最大值为2Ω；TA = +125°C时，最大值为2.25Ω。
• 峰值开关电流限制：MAX15059A为1.1A至1.3A，MAX15059B为0.825A至0.975A，可有效保护器件免受过大电流的损害。

3. 电流监测特性

• 偏置电压范围：10V至76V，可适应不同的应用需求。
• 偏置静态电流：在不同的IAPD电流下，MAX15059A和MAX15059B的偏置静态电流有所不同。
• 电压降：IAPD = 2mA时，电压降为2.7V至3.5V。
• 动态输出电阻：在IAPD = 2.5mA时，MAX15059A的动态输出电阻为5GΩ。
• APD电流阶跃响应：响应时间为25ns，能快速响应电流变化。
• MOUT输出泄漏电流：在APD未连接、TA = +25°C时，为1nA至300nA。
• 输出钳位电压：正向二极管电流为500μA时，为0.4V至0.95V。
• MOUT电压范围：根据不同的IAPD电流和VBIAS电压有所不同。
• 电流增益：在不同的IAPD电流下，MAX15059A和MAX15059B的电流增益有所不同。
• 电源抑制比：在不同的VBIAS电压和IAPD电流下，MAX15059A和MAX15059B的电源抑制比有所不同。
• APD输入电流限制：在不同温度下有所不同，TA = -40°C至+85°C时，为4mA至5.2mA；TA = +125°C时，为3.85mA至5.2mA。
• 电流限制调整范围：通过连接不同的RLIM电阻，可将电流限制从0.89mA调整到5.2mA。
• 上电稳定时间：在不同的IAPD电流下，上电稳定时间有所不同，IAPD = 500nA时为7.5ms，IAPD = 2.5mA时为90μs。

三、设计要点

1. 输出电压设置

通过连接一个从输出到FB再到SGND的电阻分压器来设置MAX15059的输出电压。选择R1（FB到SGND的电阻）在5kΩ至10kΩ之间，然后根据公式(R{2}=R{1}left[left(frac{V{OUT }}{V{REF }}right)-1right])计算R2（VOUT到FB的电阻），其中VOUT的范围为（VIN + 5V）到76V。同时，可以通过向CNTRL输入施加电压来设置反馈设定点参考电压VREF。

2. 峰值电感电流确定

如果升压转换器工作在不连续模式下，可使用公式(LPEAK =sqrt{frac{2 × t{S} timesleft(V{OUT }-V_{INMIN }right) × I{OUT_MAX }}{eta × L}})计算近似的峰值电感电流ILPEAK，其中ts为开关周期（单位：µs），VOUT为输出电压（单位：V），VIN_MIN为最小输入电压（单位：V），IOUT_MAX为最大输出电流（单位：A），L为电感值（单位：µH），ƞ为升压转换器的效率。

3. 电感值确定

为了与MAX15059配合工作，需要指定电感的三个关键参数：电感值（L）、电感饱和电流（ISAT）和直流电阻（DCR）。一般来说，电感的饱和电流额定值应大于最大峰值开关电流限制值（(I_{LIMLX }=1.3 ~A)），DCR应较低以保证合理的效率。可使用公式(L{MIN }[mu H]=frac{2 × t{S} × I{OUT } timesleft(V{OUT }-V{INMIN }right)}{eta × I{LIMLX }^{2}})计算不同输出电压和输出电流下电感值的下限，这是在不连续模式下提供300mW输出功率所需的最小电感值。还可使用公式(L{OPTIMUM }[mu H]=frac{L{MAX }[mu H]}{2.25})计算L的最佳值，其中(L{MAX }[mu H]=frac{V_{INMIN }^{2}left(V{OUT }-V_{INMIN }right) × t{S} × eta}{2 × I{OUT } × V{OUT }^{2}})。

4. 二极管选择

由于MAX15059的开关频率较高，需要选择高速整流二极管。肖特基二极管因其快速恢复时间和低正向压降，是大多数应用的推荐选择。同时，要确保二极管的峰值电流额定值大于峰值电感电流，二极管的击穿电压必须大于VOUT。

5. 输出滤波电容选择

为了减少输出纹波和峰 - 峰瞬态电压，应选择具有低等效串联电阻（ESR）、低等效串联电感（ESL）和高电容值的电容。对于大多数应用，可使用0.1µF或更大的小输出电容。可根据公式(ESR[m Omega]=frac{0.5 × Delta V{OUT }}{l{OUT }})和(C{OUT }[mu F]=frac{I{OUT }}{0.5 × Delta V{OUT }}left[t{S}-frac{I{LPEAK } × L{OPTIMUM }}{left(V{OUT }-V{IN_MIN }right)}right])计算指定纹波所需的输出电容和ESR。对于极低输出纹波的应用，可在升压转换器的输出端添加一个RC滤波器来进一步降低纹波。

6. 输入电容选择

使用1µF（最小）的陶瓷电容将IN旁路到PGND。根据电源源阻抗的不同，可能需要更高的值。确保输入电容靠近IC，以在IN处提供足够的去耦。如果布局无法实现这一点，可在IC附近的IN和PGND之间添加另一个0.1µF的陶瓷电容。对于铝电解电容，可根据公式( C{I N}[mu F]=frac{V{OUT } × I{OUT }}{eta × V{INMIN } × 0.5 × Delta V{IN }}left[t{S}-frac{I{LPEAK } × L{OPTIMUM } × V{OUT }}{V_{INMIN }left(V{OUT }-V_{INMIN }right)}right])和(ESR[m Omega]=frac{0.5 × Delta V{IN } × eta × V{IN _MIN }}{V{OUT } × I_{OUT }})计算输入电容的值和ESR。

四、应用注意事项

1. 光纤应用中使用APD或PIN光电二极管

在光纤应用中使用MAX15059监测APD或PIN光电二极管电流时，需要注意以下几点：

• 电压预算：确保为每个组件分配足够的电压，考虑到电流监测器在BIAS和APD之间需要高达3.5V的电压。
• 负电源使用：如果使用负电源代替接地连接，要确保MAX15059的总电压降小于或等于76V。
• 输出参考：MAX15059的输出电流可以通过连接到地的电阻或跨阻放大器进行参考。
• 保护ADC：将MAX15059的钳位二极管输出CLAMP连接到ADC电源，以避免ADC受到损坏。
• 低通滤波：在只需要直流测量的应用中，建议对输出信号进行低通滤波，以保持低水平的宽带噪声。
• 带宽考虑：在使用导频音识别特定光纤通道的应用中，需要考虑MOUT的带宽，以检测这些导频音。

2. 布局考虑

• 星型接地配置：使用星型接地配置保护敏感的模拟接地，将SGND和PGND在输出旁路电容的返回端附近连接在一起，避免在其他地方连接。
• 短PCB走线：保持所有PCB走线尽可能短，以减少杂散电容、走线电阻和辐射噪声。
• 反馈连接：确保到FB的反馈连接短而直接。
• 高速开关节点：将高速开关节点远离敏感的模拟区域。
• EMI屏蔽：使用内部PCB层作为SGND的EMI屏蔽，以防止辐射噪声影响器件、反馈分压器和模拟旁路电容。

五、总结

MAX15059是一款功能强大、性能优越的升压转换器和电流监测器，适用于多种APD偏置应用。在设计过程中，需要根据具体的应用需求，合理选择和设置各个参数，同时注意布局和应用中的一些细节，以确保系统的稳定和可靠运行。你在使用MAX15059或类似器件时，遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。