揭秘MAX17693A/MAX17693B：高效无光耦隔离反激转换器的卓越设计与应用

在电子工程师的日常工作中，寻找高效、稳定且设计简单的电源解决方案至关重要。Maxim推出的MAX17693A/MAX17693B 4.2V - 60V无光耦隔离反激转换器，凭借其诸多卓越特性，成为低中功率应用的理想之选。今天，我们就来深入探讨这款转换器的详细信息。

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关键特性概述

MAX17693A/MAX17693B作为Rainier系列隔离电源设备的成员，具备高集成度和高性能，能助力打造更凉爽、更小且更简单的电源解决方案。它采用固定频率峰值电流模式控制，直接从初级侧反激波形感应隔离输出电压，无需次级侧误差放大器和光耦合器，可节省多达20%的PCB空间。

高效集成

该转换器集成了低导通电阻（RDSON）、76V、245mΩ的nMOSFET初级开关，工作电源范围宽达4.2V - 60V，开关频率可编程为100kHz - 350kHz。

功能丰富

它支持外部时钟同步，可避免多转换器系统中输入总线上的低频“拍频”现象；具备可编程频率抖动功能，实现低电磁干扰（EMI）、扩频操作；支持输出整流二极管正向压降的温度补偿；MAX17693A内部补偿确保环路稳定性，MAX17693B则提供外部环路补偿的灵活性。

可靠保护

具备强大的打嗝保护和热保护机制，能在恶劣环境下可靠工作，工作温度范围为 -40°C至 +125°C，结温范围为 -40°C至 +150°C。

电气特性分析

输入特性

输入电压范围为4.2V - 60V，输入电源关断电流低至2.5μA，无负载时输入电源电流为0.95mA。

关键引脚参数

• EN/UVLO引脚：开启阈值典型值为1.215V，关断阈值典型值为1.1V，可精确控制电源转换器的开启和关闭。
• VCC引脚：线性稳压器输出电压典型值为5.77V，具备电流限制和欠压锁定功能。
• RT引脚：用于设置开关频率，默认频率为200kHz，可通过连接电阻进行编程。
• SYNC/DITHER引脚：可实现频率抖动或外部时钟同步功能。

保护特性参数

• 过流保护：峰值电流限制典型值为0.543A，失控电流限制典型值为0.666A，打嗝超时周期为16384个时钟周期。
• 热关断：热关断阈值为160°C，滞后为10°C。

关键设计要点

变压器设计

MAX17693A/MAX17693B适用于不连续导通模式（DCM）反激转换器，变压器设计需选择合适的磁化电感、匝数比和开关频率，以满足内部采样算法要求。

匝数比选择

最小匝数比 (K{MIN}) 受集成nMOSFET最大工作电压（76V）限制，计算公式为： [K{MIN }=frac{left(1+K{S}right) timesleft(V{OUT }+V{D}right)}{76-V{INMAX }}] 其中，(K{S}) 为泄漏电感电压尖峰的钳位系数，(V{OUT}) 为输出电压，(V{D}) 为输出二极管正向压降，(V{INMAX}) 为最大输入电压。

磁化电感计算

磁化电感需满足最小关断时间和最小导通时间要求，计算公式分别为： [L_{MAGTOFF }=480 × 10^{-9} × frac{left(V{OUT }+V{D}right)}{0.07 × K}] [L{MAGTON }=frac{210 × 10^{-9}}{0.117} × V{INMAX }] 最终选择的磁化电感应大于 (L_{MAGTOFF}) 和 (L{MAG_TON})。

开关频率确定

为确保DCM操作，开关频率应根据不同情况进行选择，如未使用SYNC/DITHER功能时，标称开关频率 (f{SWRT}) 应小于等于1.06 (f{SWDCM})，其中 (f{SWDCM}) 为转换器在所有工作条件下保持DCM的最大开关频率，计算公式为： [f{SWDCM }=frac{left(D{VINMIN } × V{INMIN }right)^{2} × eta}{2 × V{OUT } timesleft(I{OUT }+I_{COUTSS }right) × L{MAG } times(1+ TOL )}] 其中，(D{VINMIN}) 为最小输入电压下的最大占空比，(eta) 为转换器目标效率，(I{COUTSS}) 为软启动期间输出电容充电电流，(L{MAG}) 为磁化电感，(TOL) 为磁化电感公差。

元件选择

二次整流器

应选择反向阻断电压有足够余量的肖特基二极管，其反向电压计算公式为： [V_{SECRECT }=K{RSF} timesleft(K × V{INMAX }+V{OUT }right)] 其中，(K_{RSF}) 为安全系数，建议取值范围为1.5 - 2。

温度补偿电阻（RTC/VCM）

为补偿输出二极管正向电压的负温度系数对输出电压的影响，需选择合适的 (R{TC / VCM}) 电阻。首先根据开关频率从表中选择因子 (m{f})，计算共模电压设置 (K{VCM})： [K{VCM}=m{f} × L{MAG} × I{PEAKDCM }-SS] 然后根据 (K{VCM}) 的大小选择不同的公式计算 (R_{TC / VCM})。

SET和FB电阻

(R{SET}) 应设置为10kΩ，当不需要温度补偿时，反馈电阻 (R{FB}) 计算公式为： [R{FB}=frac{R{SET}}{V{SET}} × frac{V{OUT}+V{D}}{K}] 当需要温度补偿时，根据 (K{VCM}) 的大小选择不同的公式计算 (R_{FB})。

输入和输出电容

输入电容应选择低等效串联电阻（ESR）、高纹波电流能力的陶瓷电容，计算公式为： [C{IN} geq frac{I{PEAKDCM } × D{VINMIN } timesleft(1-frac{D{VINMIN }}{2}right)^{2}}{2 × 0.94 × f{SWRT} × Delta V{IN}}] 输出电容应选择温度稳定性好的X7R陶瓷电容，其容量需根据不同需求（如稳定性、纹波、负载阶跃响应）进行计算，取最大值。

环路补偿（仅MAX17693B）

MAX17693B通过COMP引脚的外部频率补偿网络进行补偿，补偿值计算公式如下： [R{Z}=8180 timesleft(frac{f{C}}{f{P}}right) × sqrt{frac{V{OUT } × I{OUT }}{2 × L{MAG} × f{SWRT }}}] [C{Z}=frac{1}{2 pi × R{Z} × f{P}}] [C{P}=frac{1}{pi × R{Z} × f{SWRT}}] 其中，(f{P}=frac{1}{pi × frac{V{OUT }}{I{OUT }} × C{OUT }})，(C{OUT}) 为输出电容。

电压钳位设计

为限制集成nMOSFET的漏源电压应力，需使用外部钳位电路，钳位电压应满足： [V{ClAMP }<76-V{INMAX }] 可使用简单的齐纳二极管（ZD）钳位电路，ZD击穿电压应比 (V_{CLAMP}) 低5V - 10V。对于LX节点振铃问题，可添加RC缓冲器进行阻尼。

设计实例

以一个工业应用为例，输入电压范围为18V - 36V，输出电压为5V，负载电流为0.25A。

匝数比选择

计算最小匝数比 (K{MIN}) 为0.3，最终选择 (K = 0.45)，最大占空比 (D{MAX}) 为0.4，小于最大占空比限制（0.65），因此 (D_{VINMIN } = 0.4)。

磁化电感和开关频率确定

计算得到 (L_{MAGTON } = 64.6μH)，(L{MAGTOFF } = 82.3μH)，选择磁化电感 (L{MAG} = 100μH)，允许 ±10% 公差。计算 (f{SWDCM} = 160kHz)，选择 (f{SWRT} = 150kHz)，计算 (R_{RT} = 66.6kΩ)，选择标准电阻66.5kΩ。

元件选择

• 输出电容：计算得到 (C{OUT} = 19.7μF)（根据稳定性），(C{OUT} (Ripple) ≥ 20.7μF)（根据纹波），最终选择47μF、10V、1210陶瓷电容。
• 软启动时间：选择20ms软启动时间，计算得到 (I{COUT - SS } = 6.25mA)，(I{PEAKDCM - SS } = 0.482A)，小于最小峰值电流限制（0.495A）。
• 二次二极管：计算得到 (V_{SEC_RECT } = 31.8V)，选择SBR3U40P1。
• RTC/VCM电阻：计算得到 (K{VCM} = 2.82)，(R{TC / VCM} = 77.8kΩ)，选择标准电阻76.8kΩ。
• RSET、RFB电阻：计算得到 (R_{FB} = 131kΩ)，选择标准电阻127kΩ。
• 输入电容：计算得到 (C_{IN} ≥ 0.58μF)，选择4.7μF、50V、0805陶瓷电容。

环路补偿（仅MAX17693B）

计算得到 (f{P} = 637Hz)，(R{Z} = 26.2kΩ)，选择标准电阻24.3kΩ；(C{Z} = 10.3nF)，选择标准10nF电容；(C{P} = 87pF)，选择标准100pF电容。

PCB布局指南

• 尽量减小脉冲电流路径的环路面积，特别是从 (V_{IN}) 旁路电容通过初级侧绕组和内部nMOSFET开关的高频电流路径。
• (V{CC}) 旁路电容应直接跨接在IC的 (V{CC}) 和GND引脚。
• (V_{IN}) 和GND引脚之间应连接旁路电容，并靠近IC放置。
• IC的暴露焊盘应直接连接到IC的GND引脚。
• 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 (V_{CC}) 旁路电容的返回端）连接。
• 尽量减小 (R_{FB}) 电阻的走线长度。

总结

MAX17693A/MAX17693B无光耦隔离反激转换器凭借其高效、集成度高、功能丰富等优点，为电子工程师提供了优秀的电源解决方案。在设计过程中，合理选择变压器参数、元件值，并遵循PCB布局指南，能够确保转换器稳定、高效地工作。各位工程师在实际应用中，不妨根据具体需求，充分发挥这款转换器的优势，打造出更出色的电源设计。