探索MAX17691A/MAX17691B：高效无光耦隔离反激式转换器的卓越性能与设计要点

在电子工程领域，电源设计一直是至关重要的环节。对于低中功率应用而言，反激式转换器因其简单性和低成本而备受青睐。然而，在隔离应用中，传统的光耦和次级侧误差放大器会增加设计的复杂性和成本。今天，我们将深入探讨Maxim的MAX17691A/MAX17691B，这是一款具有创新性的4.2V - 60V无光耦隔离反激式转换器，集成了FET，为电源设计带来了全新的解决方案。

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产品概述

MAX17691A/MAX17691B属于Maxim的Rainier系列隔离电源设备，旨在实现更凉爽、更小巧、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中感应隔离输出电压，无需次级侧误差放大器和光耦，可节省多达20%的PCB空间。

关键特性

• 宽输入电压范围：支持4.2V - 60V的输入电压，适用于各种电源环境。
• 集成nMOSFET：具有低RDSON（76V、170mΩ）的集成nMOSFET初级开关，提高了效率。
• 可编程开关频率：开关频率可在100kHz - 350kHz之间编程，灵活性高。
• 多种保护功能：具备输入过压保护、软启动、打嗝保护和热保护等功能，确保设备的可靠性。
• 低EMI设计：支持频率抖动和外部时钟同步，降低电磁干扰。
• 温度补偿：可对输出整流二极管的正向电压降进行温度补偿，提高输出电压的稳定性。

工作原理

无光耦反激操作

MAX17691A/MAX17691B通过内置算法在次级二极管导通期间感应LX引脚电压，利用内部差分放大器生成与次级绕组电压成比例的电流，从而实现对输出电压的采样和调节。这种方法减少了变压器寄生元件和二极管正向电压对输出电压调节的影响。

电源电压和LDO输出

该转换器支持4.2V - 60V的宽输入电压范围，内部LDO输出电压为5.77V（典型值）。在高输入电压应用中，可通过额外的辅助绕组对VCC进行过驱动，以提高系统效率。

使能/欠压锁定和过压保护

EN/UVLO引脚用于控制转换器的开关操作，当引脚电压超过1.215V（典型值）时，转换器开始工作；当电压低于1.1V（典型值）时，转换器停止工作。MAX17691A还具有输入过压保护功能，当OVI引脚电压超过1.215V（典型值）时，设备停止开关。

软启动时间

软启动功能可减少启动时的输入浪涌电流，默认软启动时间为5ms（典型值），也可通过连接电容来编程软启动时间。

开关频率和外部时钟同步

开关频率可通过连接电阻RRT在100kHz - 350kHz之间编程，默认开关频率为200kHz。SYNC/DITHER引脚可用于频率抖动或外部时钟同步，频率抖动可降低电磁干扰，外部时钟同步可避免多转换器系统中的低频“拍频”现象。

设计要点

变压器设计

变压器设计是反激式转换器设计的关键环节。需要选择合适的磁化电感和变压器匝数比，以满足MAX17691A/MAX17691B的内部采样算法要求。具体步骤包括计算次级与初级匝数比K、确定最大占空比、计算初级磁化电感LMAG等。

元件选择

• 次级整流器：选择具有足够反向阻断电压和低正向电压降的整流器，如肖特基二极管或nMOSFET。
• 温度补偿电阻：根据开关频率和输出电压等参数选择合适的温度补偿电阻RTC/VCM，以补偿输出二极管正向电压的温度变化。
• SET和FB电阻：根据输出电压和匝数比等参数计算SET和FB电阻的值，确保输出电压的准确性。
• 输入和输出电容：选择具有低ESR和高纹波电流能力的电容，以减少输入和输出电压的纹波。

环路补偿（仅MAX17691B）

MAX17691B提供了外部环路补偿的灵活性，可根据系统需求调整环路补偿网络，以提高转换器的稳定性和动态响应。

电压钳位设计

为了限制集成nMOSFET的电压应力，需要设计外部电压钳位电路，如Zener二极管钳位电路。对于存在LX节点振荡的情况，还需要添加RC缓冲器来阻尼振荡。

热考虑

确保设备在所有工作条件下的结温不超过+125°C，可通过计算总功率损耗和结温上升来评估热性能，并采取适当的散热措施。

设计示例

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1.5A。通过详细的计算和元件选择，展示了如何设计一个基于MAX17691A/MAX17691B的反激式转换器。

匝数比选择

计算最小匝数比KMIN，并根据最大占空比的限制确定最终的匝数比K。

磁化电感和开关频率

计算最小磁化电感LMAG，并选择合适的开关频率fSWRT。

输出电容选择

根据目标带宽和输出纹波要求选择合适的输出电容。

软启动时间选择

选择5ms的软启动时间，并计算软启动期间的输出电容充电电流和初级峰值电流。

次级二极管选择

选择具有合适反向电压和电流额定值的次级二极管。

RTC/VCM电阻选择

根据开关频率和输出电压计算KVCM，并选择合适的RTC/VCM电阻。

RSET和RFB电阻选择

根据KVCM和其他参数计算RSET和RFB电阻的值。

输入电容选择

根据输入电压纹波要求选择合适的输入电容。

环路补偿（仅MAX17691B）

计算MAX17691B的环路补偿值，包括RZ、CZ和CP。

PCB布局指南

良好的PCB布局对于实现干净、稳定的操作至关重要。以下是一些PCB布局的指导原则：

• 尽量减小脉冲电流路径的环路面积，特别是高频电流路径。
• 在IC的VCC和GND引脚之间连接旁路电容。
• 在VIN和GND引脚之间连接旁路电容，并将其靠近IC放置。
• 将IC的暴露焊盘直接连接到GND引脚。
• 分离模拟小信号地和开关电流的功率地，并在开关活动最小的点连接。
• 尽量减小RFB电阻的走线长度。

总结

MAX17691A/MAX17691B是一款功能强大的无光耦隔离反激式转换器，具有高效、紧凑、可靠等优点。通过合理的设计和布局，可以充分发挥其性能，满足各种低中功率隔离电源应用的需求。在实际设计中，要根据具体的应用场景和要求，仔细选择元件和参数，确保转换器的稳定性和可靠性。你在使用类似的转换器时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。