DC-DC變換器ICMAX786及其應(yīng)用

摘要：MAX786是MAXIM公司生產(chǎn)的DC-DC變換器，它主要應(yīng)用于筆記本電腦等小型化、輕量化的便攜式設(shè)備中。文中介紹了MAX786工作原理、外圍電路的設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)時(shí)注意事項(xiàng)，同時(shí)給出了其具體的應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：MAX786 變換器 DC-DC

為了使筆記本電腦等一類(lèi)便攜式電子設(shè)備小型化和輕量化，同時(shí)為了抑制功耗和降低電源電壓，設(shè)計(jì)師們?cè)絹?lái)越多地使用大規(guī)模集成電路來(lái)工作。對(duì)于這類(lèi)設(shè)備的電源部分，即使是在輸出電壓較低的情況下，也希望有一個(gè)高效率的DC-DC變換器。而實(shí)現(xiàn)這種高效率電源，并用于同步整流型電源的控制器則首推MAXIM公司生產(chǎn)的MAX786.利用MAX786可以很方便地同時(shí)輸出穩(wěn)定的5V和3.3V電壓，是一種高性能的降壓型DC-DC變換器IC。

1 MAX786概述

1.1 特點(diǎn)

MAX786具有如下特點(diǎn)：

●可以獲得3.3V和5V兩路固定輸出電壓；

●可以獲得最大95%的變換效率；

●省電。工作時(shí)自身消除電流為420μA，待機(jī)時(shí)消耗電流僅為70μA；

●輸入電壓范圍寬（5.5～30V）。

1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖1所示為MAX786的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。由圖可見(jiàn)，MAX786內(nèi)含兩個(gè)控制電路、四個(gè)功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)比較器以及振蕩頻率為200kHz或300kHz的振蕩器。

1.3 引腳說(shuō)明

VL引腳（22）：5V電壓輸出端，最大輸出電流為5mA。由圖1可見(jiàn)，電源起動(dòng)時(shí)由連接到輸入電源上的V+端給穩(wěn)壓器提供電源。但當(dāng)5V輸出（FB5端）上升到4.5V以上時(shí)，穩(wěn)壓器關(guān)斷，Q1接通，F(xiàn)B5端與VL端短接，其結(jié)果是5V電壓由VL端輸出。正是由于MAX786具備這一功能，因而減小了穩(wěn)壓器的損耗，提高了效率。此外，該端子應(yīng)選用一個(gè)4.7μF電容旁路到地。

REF引腳（10）：3.3V基準(zhǔn)輸出端，最大輸出電流為5mA。該端口應(yīng)采用電容旁路接地，其容量通常為0.22μF+1μF/mA。但在負(fù)載電流較大時(shí)，該電容往往會(huì)給各檔輸出電壓帶來(lái)某些影響。

SS3引腳（2）與SS5引腳（14）：如果在該兩引腳上接上電容，電源接通過(guò)時(shí)輸出電壓的上升速率將會(huì)變緩，因而可以抑制上電時(shí)產(chǎn)生的電流沖擊。上升時(shí)間tr可由公司tr≈1ms/nF求得。在輸出為5V時(shí)，通常連接10～100nF的電容器。

ON3引腳（3）與ON5引腳（13）：這兩個(gè)端子是接通或關(guān)斷3.3V與5V輸出的端子，通常情況下將它們連接到VL端。如果接地，則將關(guān)斷MAX786的輸出。

SYNC引腳（11）：如果把SYNC接地或者接VL端，則IC內(nèi)部的振蕩頻率為200kHz；如果將它接REF端，則產(chǎn)生的振蕩頻率為300kHz。

需要說(shuō)明的是：當(dāng)需要設(shè)計(jì)多組輸出電源時(shí)，往往要使用若干個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。由于印制版上存在著振蕩頻率不同的時(shí)鐘信號(hào)，將會(huì)產(chǎn)生諸如差拍干擾等弊端問(wèn)題。這時(shí)，利用SYNC端可使這些驅(qū)動(dòng)電路都與同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)同步，這樣，該問(wèn)題就可以得到圓滿的解決。

D1引腳（4）與D2引腳（5）：把5V與3.3V輸出電壓輸入到這兩個(gè)端口上時(shí)，可以構(gòu)成閾值電壓為1.65V的低壓檢測(cè)電路。如果用電阻進(jìn)行分壓，還可以任意設(shè)定檢測(cè)電壓的大小。圖2所示為其輸出通/斷開(kāi)關(guān)電路，如果將內(nèi)部比較器輸出一側(cè)的電源（VH端）連接到3～19V的任意電源上作為電平變換器使用，則可控制由功率MOSFET構(gòu)成的輸出開(kāi)關(guān)。比較器的輸出端Q1（8腳）與Q2（7腳）也可以以“線或”的形式互相連接在一起，其連接方式如圖3所示。

SHDN引腳（12）：如果SHDN端為“低”，則REF輸出與比較器將停止工作，且3.3V與5V輸出也將關(guān)斷，但VL端的輸出仍會(huì)維持在5V，這時(shí)消耗電流為25μA。如果SHDN端為“高”，而ON3端及ON5端為“低”，則電路處于待機(jī)方式，3.3V與5V輸出截止，但此時(shí)節(jié)VL輸出，REF輸出與比較器仍處于工作狀態(tài)，其消耗電流為70μA。

2 外圍電路的設(shè)計(jì)方法

圖4所示是采用MAX786構(gòu)成的具有3A輸出電流的3.3V/5.0V DC-DC變換器，它同時(shí)帶輸出開(kāi)關(guān)。該電路的主要指標(biāo)如下：

●輸入電壓：6.5～30VDC；

●輸出電壓：5V與3.3V；

●輸出電流：3A；

●工作頻率：300kHz。

設(shè)計(jì)時(shí)，如果扼流圈 L1及L2的脈動(dòng)電流（峰-峰）為最大輸出電流的30%，則電感電流的峰值為輸出電流的1.15倍。這樣可以算出L1、L2的值分別為：L1≈10.9μH，L2≈15.4μH。如果使用10μH電感，在電感中流過(guò)的脈沖電流峰值ΔIL應(yīng)為3.49A。

工作在額定電流時(shí)，如果在取樣電阻Rcs上產(chǎn)生的電壓為80mV，那么，Rcs應(yīng)選用25mΩ。

輸出濾波電容主要與控制系統(tǒng)的電路穩(wěn)定性、輸出紋波電壓和負(fù)載電流突變時(shí)的特性有關(guān)。為保持其中最具優(yōu)先條件的電路穩(wěn)定性，必須滿足以下兩個(gè)條件：

第一個(gè)條件為：CF>Vref/(2πVoutRcsG)

其中CF為輸出濾波電容的容量，Vref為基準(zhǔn)電壓（3.3V），G為增益帶寬積（60×103Hz），Rcs為電流取樣電阻（0.025Ω），Vout為輸出電壓。由此可以求得C6>70μF，C7+C12>106F。

第二個(gè)條件為：RESRVoutRcs/Vref

這里RESR為輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻，由上式可以求出：RESR(C6)38mΩ，

RESR（C7+C12）25mΩ。

脈動(dòng)電壓是電源電路的重要指標(biāo)之一。在負(fù)載電流較大時(shí)，脈動(dòng)電壓VR可由下式求得：

VR=IL[(RESR+1/(2πfCF))]

其中IL為扼流圈L1與L2中流過(guò)電流的峰-峰值（5V系統(tǒng)為1.38A，3V系統(tǒng)為0.98A），CF為輸出濾波電容C6、C7、C12的容量，f為振蕩頻率（300kHz），RESR為輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻。

由上式可以計(jì)算出容量為47μF、ESR為50mΩ的兩個(gè)電容器并聯(lián)使用時(shí)的紋波電壓為VR（5）≈42mV，VR（3.3）≈30mV。這里VR（5）為5V輸出的脈沖電壓，VR（3.3）為3.3V輸出的脈動(dòng)電壓。

當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，MAX786處于空載方式，此時(shí)的紋波電壓由VRC與CRR兩部分相加而成。VRC為由輸出濾波電容引起的脈動(dòng)分量，VRR為其ESR引起的脈動(dòng)分量。

3 注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在以下幾方面特別注意：

（1）印制版的布線：對(duì)于開(kāi)關(guān)電源這種電源電路來(lái)說(shuō)，電源性能的優(yōu)劣常常取決于零件的選擇、印制版上零件的配置和布線的好壞。

輸出濾波電容C6引線長(zhǎng)度的改變，將引起輸出紋波電壓的變化。同樣的元件，由于引線長(zhǎng)度不同，特性就會(huì)有較大的差異。特別是在高效率DC-DC變換器的，如果引線式元件的ESR過(guò)大，則應(yīng)使用帖片式元件。

（2）功率MOSFET在選擇時(shí)應(yīng)由輸入電壓的最大值（30V）來(lái)選擇功率MOSFET的漏-源間電壓VDSS。接通時(shí)的控制電壓是由VL端提供的5V電壓，因此用邏輯電平來(lái)使之導(dǎo)通是比較理想的。另外，如果不選用反向恢復(fù)時(shí)間trr很快的二極管，則將降低電路的效率。

為了進(jìn)一步提高效率，我們希望選擇接通電阻小功率MOSFET，但通常接通電阻低的器件的輸入電容較大，反倒使損耗增加。并且有可能由于同步整流電路特有穿透電流的流動(dòng)而使效率進(jìn)一步惡化。作為一種大致的選擇標(biāo)準(zhǔn)，以輸入電容與接通電阻的乘積來(lái)進(jìn)行選擇比較合適。

在圖4的MAX786應(yīng)用電路中，Tr1～Tr6選用了日本的Si9410DY，它的特性如下：

●Qg=24nCtyp(Ciss=1200PF @VGS=10V)

●接通電阻30mΩ(VGS=5Vtyp)

●VDS=30V

在實(shí)際使用時(shí)，還必須經(jīng)過(guò)上機(jī)確認(rèn)。

（3）電流取樣電阻應(yīng)選擇低阻值、耐沖擊電流、電感分量小的器件。不能用線繞電阻，應(yīng)采用片式電阻。

在輸出電流大到幾安培時(shí)，由于扼流圈所產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)將影響其周邊電路。因此在接近高靈敏度器件時(shí)，應(yīng)使用封閉磁路型的扼流圈。所謂封閉磁路是指線圈用鐵芯包裹以使磁力線難以外泄的一種結(jié)構(gòu)。

（4）選用輸入、輸出濾波電容時(shí)，必須確認(rèn)其ESR值與脈動(dòng)電流的大小。特別當(dāng)使用鉭電容時(shí)，應(yīng)選用具有規(guī)定浪涌電流的開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用器件。此外確認(rèn)其ESR值與脈動(dòng)電流的大小。特別當(dāng)使用鉭電容時(shí)，應(yīng)選用具有規(guī)定浪涌電流的開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用器件。此外還必須注意電解電容的使用壽命。對(duì)這類(lèi)電容，通常應(yīng)選用ESR值小、體積小、容量大的器件，同時(shí)對(duì)負(fù)載的急劇變化應(yīng)具有良好的特性，另外，還應(yīng)具備穩(wěn)定的溫度特性。