本文介紹如何在反相降壓-升壓(IBB)配置中使用MAX20058和MAX20059同步轉(zhuǎn)換器從正輸入電壓產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。這些類型的系統(tǒng)在各種汽車應(yīng)用中變得越來(lái)越普遍。這些反相電壓用于 EV/HEV 車輛或 ADAS 應(yīng)用中的不同應(yīng)用,例如 APD 偏置電源或柵極驅(qū)動(dòng)偏置電源。
介紹
對(duì)ADAS功能的需求不斷增長(zhǎng),EV/HEV的引入提高了汽車應(yīng)用中對(duì)電子內(nèi)容的需求,推動(dòng)了對(duì)各種電源管理解決方案的需求。許多應(yīng)用,如用于 LIDAR(光檢測(cè)和測(cè)距)應(yīng)用的 APD 偏置電源、柵極驅(qū)動(dòng)器偏置電源、控制器偏置和其他傳感器都需要負(fù)輸出電壓軌。
Maxim高壓同步降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)品組合具有低功耗、小解決方案尺寸和低噪聲等特點(diǎn),可滿足客戶嚴(yán)格的汽車要求。本應(yīng)用筆記演示了使用同步降壓穩(wěn)壓器(MAX20058/MAX20059)產(chǎn)生負(fù)電壓的技術(shù)。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
MAX20058/59 IC可配置為反相降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從正輸入電壓產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。本應(yīng)用筆記解釋了該過(guò)程。-24V輸出電壓應(yīng)用用于演示原理。
表 1.負(fù)輸出電壓(電源要求)
V在 | 工作輸入電壓 | 5V 至 40V |
V外 | 輸出電壓 | -24V |
我外 | 最大輸出電流 | 50毫安 |
f西 南部 | 開(kāi)關(guān)頻率 | 600千赫 |
V在_脈動(dòng) | 穩(wěn)態(tài)輸入紋波 | 標(biāo)稱值的 1%在 |
V外_脈動(dòng) | 穩(wěn)態(tài)輸出紋波 | 標(biāo)稱值的 1%外 |
工作輸入電壓范圍
最大工作輸入電壓和輸出電壓絕對(duì)值之和不得超過(guò)負(fù)輸出應(yīng)用的最大工作電壓(MAX20059為80V,MAX20058為65V)。它表示為:
VIN_MAX + |VOUT |< 80V
因此,對(duì)于-24V輸出電壓,最大工作輸入電壓可高達(dá)56V。負(fù)輸出電壓應(yīng)用的最小工作輸入電壓必須大于4.5V。
計(jì)算占空比
占空比和輸出電壓(忽略與功率開(kāi)關(guān)和電感直流電阻相關(guān)的損耗)表示如下:
占空比在 5V 時(shí)為 0.83 至 40V 輸入電壓時(shí)為 0.38 之間變化。最高占空比(D.MAX) 發(fā)生在最小工作輸入電壓和最低占空比 (D最低) 在最大工作輸入電壓 (V在_最大值)。
應(yīng)用信息
選擇電感器
指定器件操作的三個(gè)關(guān)鍵電感參數(shù):電感值 (L)、電感飽和電流 (I坐),和直流電阻 (RDCR)。選擇電感峰峰值交流電流與直流平均電流(LIR)的比值,以選擇電感值。40%峰峰值紋波電流與平均電流之比(LIR = 0.4)是尺寸和損耗之間的良好折衷。MAX20059在PWM(脈寬調(diào)制)模式下的峰值電流限值為1.6A。然后,開(kāi)關(guān)頻率、輸入電壓、輸出電壓和所選 LIR 確定電感值,如下所示:
V外我外,此處為 fSW 的標(biāo)稱值。選擇最接近計(jì)算值的低損耗電感器,該電感器具有可接受的尺寸和盡可能低的直流電阻。飽和電流額定值(I坐)的電感必須足夠高,以便飽和僅發(fā)生在峰值限流值以上。下一個(gè)公式確保內(nèi)部補(bǔ)償斜率大于電感電流下降斜率的50%:
表 2.內(nèi)部斜率補(bǔ)償與開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系
開(kāi)關(guān)頻率(千赫) | 內(nèi)部斜率補(bǔ)償 m(V/μs) |
---|---|
200 | 0.03676 |
300 | 0.05514 |
400 | 0.07576 |
600 | 0.11364 |
2000 | 0.3676 |
選擇 LMIN1 和 LMIN2 中較大的一個(gè)作為標(biāo)稱電感值:
L = 最大值?(L最小值1,L分鐘2)
選擇標(biāo)準(zhǔn)電感值最接近L的電感器。所選電感的飽和電流必須大于MAX20059的峰值電流限值,峰值電流必須小。
小電感可以減少右半平面對(duì)交越頻率相位裕量的負(fù)面影響。在此選擇56μH電感器。
選擇輸入電容
輸入電容對(duì)于降低從輸入電源汲取的電流峰值、提高效率和減少噪聲注入非常重要。CIN的值很大程度上取決于輸入電源的源阻抗。源阻抗越高,輸入電容越高。在MAX20059的輸入端放置一個(gè)陶瓷電容,以減小電壓紋波。根據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),建議使用 X7R 陶瓷電容器。以下公式確定此設(shè)計(jì)所需的最小值:
選擇2.2μF、100V和10%X7R是因?yàn)殡娙莸慕殿~值。陶瓷電容器中的實(shí)際電容根據(jù)施加的直流電壓適當(dāng)降額。有關(guān)更準(zhǔn)確的降額模型,請(qǐng)參閱陶瓷電容器的制造商數(shù)據(jù)表。
選擇輸出電容
輸出紋波包括 ?VQ(由電容器放電引起)和?V紅沉降率(由輸出電容器的ESR引起)。在輸出端使用低 ESR 陶瓷或鋁電解電容器。這?V紅沉降率為鋁電解電容器提供整個(gè)輸出紋波。輸出濾波電容必須具有足夠的電容和足夠低的ESR,以滿足輸出紋波要求。為滿足規(guī)定的輸出電壓紋波,輸出電容的計(jì)算公式為:
當(dāng)使用低ESR(例如陶瓷)輸出電容器時(shí),尺寸通常取決于在負(fù)載瞬變期間將輸出電壓保持在規(guī)格范圍內(nèi)所需的電容。估計(jì)為:
V裁判是反饋電壓的基準(zhǔn),值為0.8V,GM為跨導(dǎo)誤差放大器的增益,值為60μA/V(典型值),R比較是補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電阻,值為185kO,R我電流檢測(cè)增益為 0.5 (典型值), fC是所需的環(huán)路交越頻率,假設(shè)為10kHz。
選擇較大的 C C外(MIN1) 和 C外(MIN2) 作為輸出電容。
C外= 最大值?(C輸出(最小1),C輸出(最小2)
選擇2.2μF、100V和10%X7R是因?yàn)殡娙莸慕殿~值。在涉及C的任何計(jì)算中考慮電容容差、溫度和電壓降額外.陶瓷輸出電容器中的實(shí)際電容根據(jù)施加的直流電壓適當(dāng)降額。有關(guān)更精確的降額模型,請(qǐng)參閱制造商的輸出電容器數(shù)據(jù)手冊(cè)。
選擇前饋帽
通過(guò)并聯(lián)C增加相位裕量和帶寬6反饋電阻分壓器的頂部電阻R5在所需交越頻率(fC).為 R 分配固定值5并改變 R6以設(shè)置輸出電壓。
47pF電容可以增加相位裕量和帶寬。此設(shè)計(jì)不使用前饋帽。
調(diào)整輸出電壓
使用從電感接地端子連接到輸出電壓的電阻分壓器設(shè)置輸出電壓。將分頻器的中心節(jié)點(diǎn)連接到FB(反饋)引腳。為 R 分配固定值5并改變R6以設(shè)置輸出電壓。選擇電阻器R的值5和 R6如:
這里,R5 和 R6 以 kO 為單位,它們的值分別為 294kO 和 10kO。
設(shè)置輸入導(dǎo)通電壓
設(shè)置輸入電壓,通過(guò)V連接阻性分壓器接通MAX20059在到 V外 (圖2)。將分壓器的中心節(jié)點(diǎn)連接到 EN/UVLO(使能/欠壓鎖定)引腳。選擇 R1作為 3.32MO 并計(jì)算 R2使分壓器中心節(jié)點(diǎn)中的電壓高于EN閾值(1.115V)。
在這里,V在是打開(kāi)MAX20059的輸入電壓。安·2值為 750kO 時(shí),在大約 6V 輸入電壓下導(dǎo)通。
內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償
內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)如下:
圖 1.內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
選擇軟啟動(dòng)電容器
MAX20059實(shí)現(xiàn)可調(diào)軟啟動(dòng)操作,以降低浪涌電流。從SS(軟啟動(dòng))引腳連接到V的電容器外對(duì)軟啟動(dòng)周期進(jìn)行編程。軟啟動(dòng)時(shí)間(t黨衛(wèi)軍) 與連接在 SS (C ) 處的電容器有關(guān)黨衛(wèi)軍) 通過(guò)以下等式:
C黨衛(wèi)軍= 6.25 × t黨衛(wèi)軍
在這里,t黨衛(wèi)軍以毫秒為單位,C黨衛(wèi)軍在納法拉中。例如,必須將一個(gè)12nF電容從SS引腳連接到V。外以編程 2ms 軟啟動(dòng)時(shí)間。
設(shè)計(jì)原理圖
圖 2.設(shè)計(jì)原理圖。
參考設(shè)計(jì) 1
V在= 5V 至 40V, V外= -24V, I外= 50mA 和 f西 南部= 600kHz。
物料清單
表 3.參考設(shè)計(jì)的材料清單 1
德格納托 | 價(jià)值 | 描述 | 部件號(hào) | 制造者 | 包 | 數(shù)量 |
---|---|---|---|---|---|---|
C1 | 2.2μF/X7R/100V | 輸入旁路電容器 | GRM32ER72A225KA35 | 村田制作所 | 1206 | 1 |
C2 | 1μF/X7R/6.3V | VCC 旁路電容器 | GRM188R70J105KA01 | 村田制作所 | 0805 | 1 |
C3 | 12000pF/X7R/25V | 軟啟動(dòng)電容器 | 軟啟動(dòng)電容器 | 村田制作所 | 0603 | 1 |
C4 | 2.2μF/X7R/100V | 輸出電容 | C1210X225K1RAC7800 | 基美特 | 1210 | 1 |
C5 | 不焊接 | 1 | ||||
R1 | 3.32M ±1% | EN/UVLO 電阻分壓器 | CRCW04023M32FK | 維謝·戴爾 | 0402 | 1 |
R2 | 750k ±1% | EN/UVLO 電阻分壓器 | CRCW0402750KFK | 維謝·戴爾 | 0402 | 1 |
R3 | 243k ±1% | 電流限制和工作模式 | ERJ-2RKF2433X | 松下 | 0402 | 1 |
R4 | 69.8K±1% | 設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率和電流限制 | CRCW0402105KFK | 維謝·戴爾 | 0402 | 1 |
R5 | 294k1/2 ±1% | FB 電阻分壓器 | CRCW0402294KFKED | 維謝·戴爾 | 0402 | 1 |
R6 | 10k1/2 ±1% | FB 電阻分壓器 | CRCW040210K0FKEDC | 維謝·戴爾 | 0402 | 1 |
L1 | 56微小時(shí) | 感應(yīng)器 | 沃斯 | 1 | ||
U1 | MAX20059 | 內(nèi)部開(kāi)關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器 | 美信集成 | 10 TDFN 3 x 3 | 1 |
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
典型性能
圖 3.50mA負(fù)載、5VIN、-24V時(shí)的穩(wěn)態(tài)工作外和 600kHz。
圖4.空載至50mA、5V的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)在, -24V外和 600kHz。
圖5.50mA 負(fù)載、5V 時(shí)的波特圖在, -24V外和 600kHz。
審核編輯:郭婷
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傳感器
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轉(zhuǎn)換器
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控制器
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