探索MAX5019/MAX5020：集成启动电路的电流模式PWM控制器

在电子工程师的日常工作中，设计高效、稳定的电源供应器是一项至关重要的任务。MAX5019/MAX5020这两款集成启动电路的电流模式PWM控制器，为我们在电源设计方面提供了强大的支持。今天，我就和大家详细探讨一下这两款控制器的特点、应用以及设计要点。

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一、产品概述

MAX5019/MAX5020集成了实现DC - DC固定频率电源所需的所有组件。无论是采用原边还是副边调节，都能实现隔离或非隔离电源。它们是电流模式控制器，集成了适用于电信/工业电压范围电源的高压启动电路。

关键特性

1. 宽输入范围：支持(18V至110V)或(13V至36V)的输入电压，能适应多种不同的电源环境。
2. 隔离或非隔离电源：可实现无光电耦合器的隔离电源或非隔离电源，为设计提供了更多的灵活性。
3. 电流模式控制：简化了控制环路设计，提高了系统的稳定性和响应速度。
4. 前沿消隐：有效避免了PWM比较器因前沿尖峰而提前终止导通周期。
5. 内部修整的275kHz ±10%振荡器：降低了磁性和滤波组件的成本，同时减小了电路板空间。
6. 低外部组件数量：减少了设计的复杂性和成本。
7. 软启动：使负载电压能够以受控的方式上升，避免输出电压过冲。
8. 高压启动电路：允许设备在启动时直接从18V至110V的输入电源获取能量。
9. 逐脉冲电流限制：保护MOSFET免受过流损坏。
10. 热关断：当芯片温度过高时自动关闭，提高了系统的可靠性。
11. SO - 8封装：体积小，便于安装和布局。

二、应用场景

MAX5019/MAX5020适用于多种电源应用场景，包括：

• 电信电源：满足电信设备对电源稳定性和可靠性的高要求。
• 工业电源：适应工业环境中的复杂电压和负载条件。
• 网络电源：为网络设备提供稳定的电力支持。
• 隔离电源：在需要电气隔离的场合发挥重要作用。

三、技术细节剖析

1. 电流模式控制

MAX5019/MAX5020采用电流模式控制，具有前沿消隐功能。通过前沿消隐电路，仅对应用于PWM比较器输入的感测电流信号进行消隐，而电流限制比较器始终监测CS引脚，实现逐脉冲电流限制。这种设计避免了因MOSFET栅极充电电流、电容和二极管反向恢复电流产生的前沿尖峰对PWM比较器的干扰。

2. 内部调节器

芯片内部的调节器允许初始启动时无需使用有损耗的启动电阻，并能对三次侧（偏置）绕组的输出电压进行调节，为芯片供电。启动时，V+电压被调节为VCC，为设备提供偏置。VDD调节器则从三次侧绕组的输出调节到VCC。当VDD电压达到12.7V时，高压调节器禁用，降低了功耗，提高了效率。

3. 欠压锁定（UVLO）、软启动和关断

• 软启动：通过连接到SS_SHDN引脚的电容实现。在UVLO期间，电容放电；退出UVLO时，内部电流源开始对电容充电，启动软启动周期。软启动完成后，VSS_SHDN被调节到2.4V。
• 欠压锁定：当VCC小于6.6V时，控制器关闭，但V+和参考电压的调节器仍保持开启。
• 关断：将VSS_SHDN拉低至0.25V以下，可禁用控制器。

4. 电流感测比较器

电流感测（CS）比较器及其相关逻辑用于限制通过MOSFET的峰值电流。当VCS超过465mV时，功率MOSFET关断，从开关电流达到触发水平到驱动器关断的传播延迟为180ns。

5. 内部误差放大器

内部误差放大器可用于调节非隔离电源的输出电压，也可用于调节三次侧绕组的输出，以实现原边调节的隔离电源。通过合理选择电阻R1和R2的值，可以精确控制输出电压。

6. PWM比较器和斜率补偿

内部275kHz振荡器决定了控制器的开关频率。MAX5019使用内部斜坡发生器进行斜率补偿，斜坡信号在每个周期开始时复位，并以26mV/µs的速率上升。PWM比较器根据瞬时电流、误差电压、内部参考和斜率补偿（仅MAX5019）来决定何时关断N沟道MOSFET。

7. N沟道MOSFET栅极驱动器

NDRV驱动N沟道MOSFET，能够提供大的瞬态电流来充电和放电MOSFET栅极。为了支持这种开关瞬态，需要使用陶瓷电容对VCC进行旁路。

四、设计实例：使用MAX5020设计正向转换器

下面为大家介绍使用MAX5020设计正向转换器的一般步骤：

1. 确定要求：明确输入电压范围、输出电压、输出电流和纹波电压等参数。例如，设计中要求 (36V leq V{IN} leq 72V)，(V{OUT}=5V)，(I{OUT}=10A)，(V{RIPPLE} leq) 某一值。
2. 设置输出电压：根据公式 (V{OUT} cong V{REF}(1+frac{R{1}}{R{2}})) 计算电阻R1和R2的值，同时要满足 (R{1} // R{2} ll 50kΩ)，其中 (V{REF}=V{SS_SHDN} cong 2.4V)。
3. 计算变压器原边到副边的匝数比：根据最小输入电压和MAX5020最大占空比的下限（44%）计算匝数比 (frac{N{S}}{N{P}} geq frac{V{OUT}+(V{D1} × D{MAX})}{D{MAX} × V{IN_MIN}})。在本例中，计算得出 (frac{N{S}}{N_{P}} geq 0.330)，选择 (NP = 14)，则 (Ns = 5)。
4. 计算复位绕组到原边的匝数比：为了确保变压器中的所有能量在最大占空比的关断周期内返回V+，需要计算复位绕组的匝数比 (N{R} leq N{P} × frac{1 - D{MAX}'}{D{MAX}'})。计算得出 (N{R} leq 14)，取整后确定 (NR) 的值。同时，还需要根据公式 (V{DSMAX} geq V{IN_MAX} × (1+frac{N{P}}{N_{R}})) 确定N沟道MOSFET的最大漏源电压，选择具有适当雪崩功率额定值的MOSFET。
5. 计算三次侧绕组到原边的匝数比：选择三次侧绕组匝数比，使最小输入电压能在VDD提供最小工作电压（13V）。根据公式 (frac{V{D D M I N}+0.7}{V{I N _M I N}} × N{P} leq N{T} leq frac{V{D D M A X}+0.7}{V{I N _M A X}} × N{P}) 计算，本例中得出 (5.33 leq N{T} leq 7.14)，选择 (N_{T}=6)。
6. 计算电流感测电阻值：根据公式 (R{SENSE} leq frac{V{ILIM}}{frac{N{S}}{N{P}} × 1.2 × I{OUTMAX}}) 选择RSENSE的值，在本例中 (R{SENSE} leq 109mΩ)。
7. 计算输出电感值：选择电感值，使电感中的峰值纹波电流（LIR）在最大输出电流的10%至20%之间。根据公式 (L geq frac{(V{OUT}+V{D}) × (1 - D{MIN})}{2 × LIR × 275kHz × I{OUTMAX}}) 计算，得出 (L geq 4.01µH)。
8. 选择输出电容：输出滤波电容的大小和ESR决定了输出纹波。选择低ESR的电容，根据公式 (V{RIPPLE}=sqrt{V{RIPPLEESR}^{2}+V_{RIPPLEC}^{2}}) 计算峰 - 峰输出纹波，其中 (VRIPPLE,ESR = IRIPPLE × ESR)，(VRIPPLE,C = IRIPPLE / (2 × π × 275kHz × COUT))。

五、布局建议

在进行电路板布局时，需要注意以下几点：

1. 所有承载脉冲电流的连接必须尽可能短且宽，并以接地平面作为返回路径。由于高频开关电源转换器中电流的高di/dt，这些连接的电感必须保持最小。
2. 分析任何布局中的电流环路，尽量减小内部面积，以降低辐射EMI。
3. 接地平面应尽量保持完整。

六、总结

MAX5019/MAX5020这两款集成启动电路的电流模式PWM控制器，凭借其丰富的特性和广泛的应用场景，为电子工程师在电源设计领域提供了优秀的解决方案。通过深入了解其技术细节和设计要点，我们可以充分发挥它们的优势，设计出高效、稳定的电源系统。你在使用类似控制器进行电源设计时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享交流。