探索MAX17681/MAX17681A：高效隔离降压DC-DC转换器的卓越之选

在电子设备的电源设计领域，一款性能出色的DC-DC转换器是实现稳定、高效供电的关键。今天，我们就来深入探讨Maxim Integrated推出的MAX17681/MAX17681A——一款高电压、高效率的隔离降压DC-DC转换器，它能为我们带来怎样的惊喜呢？

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一、产品概述

MAX17681/MAX17681A专为提供高达5W的隔离电源而设计，可在4.5V至42V的宽输入电压范围内稳定工作，并采用原边反馈来调节输出电压。它采用峰值电流模式控制，片上低电阻MOSFET不仅确保了满载时的高效率，还简化了PCB布局。其中，MAX17681A在MAX17681的基础上进行了增强设计，支持强大的副边过流保护功能。该产品采用紧凑的10引脚（3mm x 2mm）TDFN封装，还提供仿真模型，方便工程师进行设计和验证。

二、应用领域

这款转换器具有广泛的应用场景，包括隔离现场总线接口、PLC I/O模块、智能电表、医疗设备中的隔离电源以及浮动电源生成等。在这些应用中，MAX17681/MAX17681A能够发挥其高效、稳定的特性，为设备提供可靠的电源支持。

三、产品特性与优势

（一）减少外部组件和总成本

• 无需光耦：避免了光耦带来的成本和复杂性，简化了电路设计。
• 同步原边操作：提高了电源转换效率，减少了能量损耗。
• 全陶瓷电容，紧凑布局：陶瓷电容具有良好的稳定性和高频特性，有助于实现紧凑的PCB布局，降低产品体积。

（二）减少DC-DC稳压器库存

• 宽输入电压范围：4.5V至42V的输入范围，可适应多种电源环境，减少了对不同输入电压稳压器的需求。
• 灵活的原边输出电压：0.9V至0.96 x VIN的原边输出电压，能够满足不同的应用需求。
• 高输出功率：可提供高达5W的输出功率，满足大多数中小功率设备的供电需求。

（三）降低功耗

• 高效率：峰值效率超过90%，有效降低了能量损耗，提高了电源的转换效率。
• 低关断电流：典型关断电流仅为0.9μA，在设备待机时能够显著降低功耗。

（四）恶劣工业环境下可靠运行

• 过流保护：具备峰值和灌电流限制保护，能够有效保护设备免受过大电流的损害。
• 高精度反馈：±1.7%的反馈精度，确保输出电压的稳定性和准确性。
• 可编程使能/欠压锁定阈值：用户可以根据实际需求设置使能和欠压锁定的阈值，提高了设备的灵活性和可靠性。
• 可调软启动：通过调节软启动时间，可以减少输入浪涌电流，保护电源和设备。
• 过温保护：当设备温度过高时，自动关闭，防止设备因过热而损坏。
• 宽工作温度范围：-40°C至+125°C的工作温度范围，能够适应恶劣的工业环境。

（五）短路保护

• MAX17681A支持强大的副边短路保护：在副边出现短路时，能够迅速响应，保护设备安全。因此，对于新设计，推荐使用MAX17681A。

四、电气特性

在电气特性方面，MAX17681/MAX17681A表现出色。例如，输入电压范围为4.5V至42V，关断模式下输入电流仅为0.9μA至3.5μA，正常开关模式下无负载时输入电流为1.95mA至2.8mA。此外，其开关频率为186kHz至213kHz，能够满足大多数应用的需求。

五、引脚配置与功能

该产品的引脚配置清晰，每个引脚都有明确的功能。例如，PGND为电源地，VIN为开关调节器输入，EN/UVLO为使能/欠压检测输入，Vcc为内部LDO输出，FB为输出反馈连接，SS为软启动输入，COMP为补偿输入，RESET为开漏复位输出，GND为信号地，LX为开关节点。通过合理连接这些引脚，可以实现对转换器的有效控制和调节。

六、详细工作原理

（一）线性稳压器（VCC）

内部线性稳压器（VCC）为内部模块和低边MOSFET驱动器提供5V的标称电源。VCC输出应通过1μF陶瓷电容旁路到地，当VCC电压低于3.7V（典型值）时，欠压锁定电路将禁用内部线性稳压器。内部VCC线性稳压器可提供高达40mA（典型值）的电流，为设备和低边栅极驱动器供电。

（二）使能输入（EN/UVLO）和软启动（SS）

当EN/UVLO电压超过1.218V（典型值）时，设备启动软启动序列，软启动时间取决于连接在SS引脚和地之间的电容值。一个5μA的电流源对电容充电，使SS引脚电压上升，该电压作为内部误差放大器的参考，从而使输出电压从0单调增加到目标值。EN/UVLO还可用于调节输入欠压锁定电平，通过外部电压分压器可以调整设备开启或关闭的输入电压。当EN/UVLO引脚接地时，两个功率MOSFET和其他内部电路将被禁用，输入静态电流降至0.9μA（典型值）。

（三）过流保护/HICCUP模式

MAX17681/MAX17681A具备过流保护功能，在过载和输出短路情况下保护设备。逐周期峰值电流限制会在开关电流超过内部限制（典型值为1.65A）时关闭高边MOSFET，灌电流限制会在低边MOSFET负电流超过1.25A（典型值）时关闭低边开关。高边MOSFET电流的失控电流限制（典型值为1.7A）可在高输入电压和短路条件下保护设备。

MAX17681在出现一次失控电流限制或软启动完成后原边输出电压降至标称值的70.5%（典型值）时进入打嗝模式，此时转换器会暂停开关操作32,768个时钟周期，超时后再次尝试软启动。而MAX17681A在检测到16个连续的负电流限制事件后进入打嗝模式，在打嗝超时期间，原边电容电压会被主动放电，并对原边和副边输出进行软启动，从而实现强大的副边过流保护和过流消除后的平滑输出电压恢复。

（四）RESET输出

设备包含一个RESET比较器，用于监测原边输出电压。开漏RESET输出需要一个外部上拉电阻，低电平时可吸收2mA电流。当原边输出电压超过标称调节电压的95.5%后1024个开关周期，RESET变为高阻态；当原边输出电压降至标称调节电压的92.5%以下时，RESET变为低电平。在MAX17681A中，当副边输出短路时，打嗝期间原边输出电压也会放电，因此RESET可作为故障指示。此外，热关断时RESET也会变为低电平。

（五）热过载保护

热过载保护可限制设备的总功耗。当设备结温超过+165°C时，片上热传感器会关闭设备，待结温下降10°C后再次开启。在正常运行时，需要仔细评估总功耗，以避免热过载保护的误触发。

七、应用电路设计要点

（一）变压器参数选择

• 原边输出电压选择：原边输出电压由MAX17681/MAX17681A控制环路调节，可通过公式(V{PRI}=D{MAX} × V_{INMIN })计算，其中(D{MAX})为转换器的最大占空比，(V_{IN_MIN})为最小输入电压，理想的最大占空比范围为0.4至0.6。
• 匝数比选择：忽略二极管压降、变压器电阻和漏感，隔离降压输出电压(V{OUT})与原边输出电压(V{PRI})成正比，匝数比(K=frac{N{SEC}}{N{PRI}}=frac{V{OUT}+V{D}}{V_{PRI}})，可通过调整原边输出电压来匹配现成变压器的匝数比。
• 原边电感选择：原边电感值决定了变压器中的纹波电流，所需原边电感可通过公式(L{PRI}=7 × V{PRI})计算，原边纹波电流可通过公式(Delta I=frac{V{P R I} timesleft(1-frac{V{P R I}}{V{I N}}right)}{f{S W} × L_{P R I}})计算。
• 绕组峰值和RMS电流：需要根据公式计算原边和副边绕组的峰值和RMS电流，以选择合适的隔离降压变压器。

（二）电容选择

• 原边输出电容：工业应用中首选X7R陶瓷输出电容，最小所需输出电容可通过公式(C{PRI}=frac{I{HS _AVG } × D{MAX }}{f{SW} × 0.01 × V_{PRI}})计算。
• 副边输出电容：副边电容在高边开关导通时提供负载电流，支持1%稳态纹波所需的输出电容可通过公式(C{OUT }=frac{I{OUT } × D{MAX }}{f{SW} × 0.01 × V_{OUT }})计算。同时，要注意陶瓷电容的直流偏置会导致电容值下降，需进行适当降额。
• 输入电容：输入电容可减少从电源汲取的峰值电流，降低开关电路引起的输入噪声和电压纹波。所需输入电容可通过公式(C{I N}=frac{I{H S _A V G} × D{M A X} timesleft(1-D{M A X}right)}{f{S W} × Delta V{I N}})计算，其中(Delta V_{IN})为输入电压纹波，通常为最小输入电压的2%。

（三）二极管选择

副边整流二极管应能够承受副边峰值电流和高边开关导通时的反向电压，建议选择正向压降较小的肖特基二极管，以实现更好的输出电压调节。二极管的峰值电流额定值为(PKDIODE {i}=frac{I{OUT }}{(1-D)})，峰值反向电压额定值为(V{DIODE }=2 timesleft(left(V_{INMAX }-V{PRI}right) × K+V{OUT }right))，二极管的功耗可通过公式(P{DIODE }=V{D} × I{OUT })计算。

（四）最小负载要求

在轻载条件下，由于变压器漏感和寄生电容的影响，隔离降压转换器的输出电压会过度升高。通常，10%至20%的满载最小负载足以将转换器输出电压调节在±5%以内。在测试原型后，应验证输出电压调节情况。可使用串联电阻和齐纳二极管作为过压保护电路，齐纳二极管阈值可选择比标称调节输出电压(V_{OUT})高15%，串联电阻值范围为30Ω至60Ω。

（五）软启动电容选择

MAX17681/MAX17681A实现了可调软启动操作，以减少浪涌电流。连接在SS引脚和地之间的电容可设置软启动时间，软启动时间(t{SS})与电容(C{SS})的关系为(C{SS}=5.55 × t{SS})，其中(t{SS})单位为毫秒，(C{SS})单位为纳法。

（六）输入欠压锁定电平设置

设备提供可调的输入欠压锁定电平，可通过连接从(V{IN})到地的电阻分压器来设置设备开启的电压，将分压器的中心节点连接到EN/UVLO。选择(R1)最大为3.3MΩ，然后根据公式(R 2=frac{R 1 × 1.218}{left(V{INU }-1.218right)})计算(R2)，其中(V_{INU})为设备所需开启的电压。

（七）外部环路补偿

MAX17681/MAX17681A采用峰值电流模式控制方案，只需一个简单的RC网络即可实现稳定的控制环路。补偿网络的组件可通过以下公式计算：

• (R{COMP}=6000 × f{C} timesleft(C{OUT } times(1-D) × K^{2}+C{PRI}right) × V{PRI})，其中(R{COMP})单位为Ω，最大限制为12kΩ，(f_{C})为转换器的带宽，范围为2kHz至10kHz。
• (C{COMP}=frac{5}{pi × f{C} × R_{COMP}})
• (C{P}=frac{1}{2 pi × 50000 × R{COMP }})

（八）功率损耗和结温估算

在特定工作条件下，可通过公式(P{LOSS } =P{OUT } timesleft(frac{1}{eta}-1right)-left(I_{PRIRMS }^{2} × R{PRI}right)-left(I_{SECRMS }^{2} × R{SEC }right)-left(V{D} × I{OUT }right))估算导致设备温度升高的功率损耗，其中(P{OUT })为输出功率，(eta)为功率转换效率，(R{PRI})为变压器原边电阻，(R{SEC})为变压器副边电阻，(V{D})为二极管压降。设备的结温(T{J})可通过公式(T{J}=T{A}+left(theta{JA} × P{LOSS}right))估算，其中(theta{JA})为封装的结到环境热阻。

（九）PCB布局指南

• 减小杂散电感和辐射EMI：所有承载脉冲电流的连接应尽可能短且宽，减小连接的环路面积，以降低杂散电感和辐射EMI。
• 合理放置电容和补偿组件：陶瓷输入滤波电容应靠近设备的(V_{IN})引脚，VCC引脚的旁路电容也应靠近VCC引脚。外部补偿组件应靠近IC，远离LX节点，反馈走线应尽量远离LX节点。
• 分离信号和电源地：信号地和电源地应分开，在开关噪声最小的点（通常是VCC旁路电容的返回端）连接，接地平面应尽可能保持连续。
• 提供散热通道：在设备的暴露焊盘下方提供多个连接到大地平面的热过孔，以实现高效散热。

八、典型应用电路

文档中给出了多个典型应用电路，如低剖面24V至24V、100mA隔离输出应用电路，24V至±15V、75mA隔离输出应用电路，以及24V至3.3V/80mA非隔离和±16V、65mA隔离输出应用电路等。这些电路详细列出了所需的组件型号和参数，为工程师提供了实际设计的参考。

九、总结

MAX17681/MAX17681A以其高效、稳定、可靠的性能，为电子设备的电源设计提供了优秀的解决方案。在实际应用中，工程师可以根据具体需求，合理选择变压器、电容、二极管等组件，优化电路设计，并遵循PCB布局指南，以确保设备的性能和可靠性。你在使用MAX17681/MAX17681A的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。