探索MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A：高效PoE解决方案

在现代电子设备中，以太网供电（PoE）技术凭借其便捷性和高效性，在众多领域得到了广泛应用。今天，我们就来深入探讨一下Maxim Integrated推出的MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A系列产品，这是一系列符合IEEE 802.3af标准的高效Class 1/Class 2受电设备（PD），集成了DC - DC转换器，为PoE系统提供了完整的电源解决方案。

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产品概述

MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A将PD接口与高效的DC - DC转换器集成在一起，大大减少了外部元件数量。其中，MAX5987A包含一个低压差稳压器（LDO），而MAX5986A - MAX5986C则具备睡眠和超低功耗模式。这些设备采用16引脚、5mm x 5mm的TQFN功率封装，工作温度范围为 - 40°C至 + 85°C。

关键特性与优势

高度集成，节省空间和成本

• 集成DC - DC转换器：内置高效的DC - DC转换器，集成了开关，减少了外部元件数量，降低了物料清单（BOM）成本。
• 输出电压监控：具备内置的输出电压监控功能，提高了系统的稳定性和可靠性。
• 多重保护功能：能够有效防止过载、输出短路、输出过压和过热等问题，保障设备的安全运行。
• 集成TVS二极管：可承受电缆放电事件（CDE），增强了设备的抗干扰能力。
• 内部LDO稳压器：MAX5987A内置了最大负载可达100mA的LDO稳压器，为系统提供稳定的电源。

符合IEEE 802.3af标准，减少设计时间

• 单电阻分类：通过单个电阻即可设置PoE Class 1/Class 2分类，简化了设计过程。
• 智能MPS功能：智能维持功率签名（MPS）符合IEEE 802.3af规范，确保设备在不同工况下都能稳定运行。
• 简化壁式适配器接口：提供了简化的壁式适配器接口，方便与外部电源连接。
• 抗电缆放电能力：能够通过2kV、200m CAT - 6电缆放电测试，保证了设备在复杂环境下的可靠性。

轻载高效，降低功耗

• 睡眠和超低功耗模式：MAX5986A - MAX5986C具备睡眠和超低功耗模式，在轻载时可显著降低功耗。
• 频率折返技术：采用频率折返技术，在轻载时将开关频率降低一半，提高了功率转换效率。
• 背偏置能力：具备背偏置能力，可优化效率，进一步降低功耗。

性能强劲，设计灵活

• 宽输入电压范围：支持8.7V至60V的宽输入电压范围，适应不同的电源环境。
• 打嗝模式限流：具备打嗝模式的失控电流限制功能，增强了设备的稳定性。
• 低浪涌电流限制：典型浪涌电流限制为49mA，减少了对电源的冲击。
• 开放漏极RESET输出：MAX5987A具备开放漏极RESET输出，方便与其他设备进行接口。
• 可编程输出电压：输出电压范围可编程，从3.0V到14V，满足不同应用的需求。
• 固定开关频率：具备固定的215kHz/430kHz开关频率，便于设计和调试。

电气特性

绝对最大额定值

该系列产品的绝对最大额定值涵盖了各种电压、电流和温度范围。例如，VDD到GND的电压范围为 - 0.3V至 + 70V，LX总RMS电流最大为1.6A，工作温度范围为 - 40°C至 + 85°C等。在设计时，必须确保设备的工作条件在这些额定值范围内，以避免对设备造成永久性损坏。

电气参数

详细的电气参数包括检测模式下的输入偏移电流、有效差分输入电阻，分类模式下的分类使能阈值、分类禁用阈值等。这些参数为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据。例如，在检测模式下，输入偏移电流最大为10μA，有效差分输入电阻在23.95kΩ至25.5kΩ之间。

工作模式

检测模式（1.4V ≤ VDD ≤ 10.1V）

在检测模式下，设备通过单个外部签名电阻提供检测签名。电源设备（PSE）会在VDD上施加两个电压，通过计算差分电阻来确认24.9kΩ签名电阻的存在。此时，设备施加VDD到RREF，且由于设备引起的VDD偏移电流小于10μA。

分类模式（12.6V ≤ VDD ≤ 20V）

在分类模式下，设备吸收Class 1/Class 2分类电流。PSE施加分类电压，通过测量分类电流来确定设备的最大功率需求。设备可通过外部24.9kΩ电阻和CLASS2引脚设置分类电流为10.5mA（Class 1）或18.5mA（Class 2）。

功率模式（VDD ≥ VON）

当VDD超过欠压锁定阈值（VON）时，设备进入功率模式。此时，内部p沟道隔离MOSFET导通，将VCC连接到VDD，并限制浪涌电流。一旦隔离MOSFET完全导通，电流限制将切换到323mA，同时降压转换器在123ms后开启。

功能特性详解

LED驱动（MAX5986A - MAX5986C）

MAX5986A - MAX5986C可驱动一个或多个串联的LED，最大LED电压为6.5V。在睡眠和超低功耗模式下，LED电流采用脉宽调制，占空比为25%，电流幅度可通过RSL进行编程，计算公式为(ILED = 646 / RSL (mA))。

睡眠和超低功耗模式（MAX5986A - MAX5986C）

这两种模式可有效降低设备的功耗。睡眠模式下，内部p沟道隔离MOSFET保持导通，降压转换器关闭。超低功耗模式则进一步降低功耗，同时维持IEEE标准的功率签名。进入和退出这两种模式可通过相应的控制引脚实现。

热关断保护

当设备的管芯温度达到151°C时，会触发过热故障，设备自动关闭。只有当管芯温度冷却到 + 135°C以下时，过热故障条件才会解除，设备将自动复位。

WAD功能

对于使用辅助电源（如壁式电源适配器）的应用，设备具备壁式电源适配器检测功能。当WAD到PGND的电压大于8.8V时，检测到壁式电源适配器，内部隔离MOSFET关闭，分类电流禁用，设备从辅助电源获取功率。

内部线性稳压器和背偏置

内部电压稳压器为内部电路提供VDRV，VDRV输出通过连接到GND的1μF电容进行滤波。该稳压器仅用于内部使用，不能为外部电路供电。VDRV可由VDD或VAUX供电，具体取决于VAUX的状态。如果VOUT大于4.75V，可用于背偏置VDRV电压稳压器，以提高设备效率。

电缆放电事件保护（CDE）

集成的70V电压钳位可保护内部电路免受电缆放电事件的影响，增强了设备的可靠性。

DC - DC降压转换器

采用PWM、峰值电流模式、固定频率控制方案，具备快速瞬态响应能力。工作输入电压范围为8V至60V，支持最大6.49W的输入功率。同时，具备多种保护功能，如欠压锁定、过热关断、短路保护、逐周期峰值电流保护和逐周期输出过压保护等。还采用了频率折返方案，在轻载时将开关频率降低一半，提高了效率。

频率折返保护

当连续出现8次电感电流过零事件时，设备进入频率折返模式，开关频率降低到107.5kHz或215kHz，以提高功率转换效率。当连续8个开关周期电感电流不过零时，设备返回正常模式。在启动期间，直到软启动完成50%时，强制进入频率折返模式。

打嗝模式

当触发打嗝保护时，设备关闭高端MOSFET，开启低端MOSFET，直到电感电流达到谷值电流限制。控制逻辑等待154ms（MAX5986C为77ms）后，尝试新的软启动序列。在软启动和正常运行模式下，若高端MOSFET电流超过失控电流限制阈值，或在正常运行模式下出现输出欠压事件（调节反馈电压低于60%），都会触发打嗝模式。

RESET输出（MAX5987A）

MAX5987A具备开放漏极RESET输出，用于指示LDO或开关稳压器是否超出调节范围。当任一稳压器低于其调节反馈值的92%时，RESET输出拉低；当两个稳压器都高于其值的95%时，RESET输出在100μs后变为高阻态。

维持功率签名（MPS）

该功能使设备能够维持端口的最小电流（10mA），避免被PSE断开电源。当端口电流低于14mA时，设备进入MPS模式；当端口电流大于40mA时，退出MPS模式。通过将MPS引脚连接到VDRV可启用该功能，连接到GND则禁用。

应用信息

与壁式适配器配合使用

在使用壁式电源适配器为PD供电的应用中，设备可检测壁式电源适配器，并优先使用WAD电源。当检测到壁式电源适配器时，内部隔离MOSFET关闭，分类电流禁用，设备从辅助电源获取功率。

调整LDO输出电压（MAX5987A）

MAX5987A的LDO稳压器可通过连接LDO_FB到VDRV设置预设电压为3.3V，也可通过连接电阻分压器到LDO_OUT和LDO_FB来调整输出电压。总反馈电阻应在100kΩ左右，最大输出电流为85mA。

调整降压转换器输出电压

降压转换器的输出电压可通过改变反馈电阻分压器的比例进行设置。MAX5986A/MAX5987A的输出电压范围为3.0V至5.6V，MAX5986B/MAX5986C为5.4V至14V。FB电压调节为1.225V，应保持FB引脚到电阻分压器中心的走线短，并使总反馈电阻约为100kΩ。

元件选择

电感选择

选择电感时，可使用公式(L=frac{V{OUT } timesleft(V{IN }-V{OUT }right)}{f{S} × V{IN } × L{I R} × I_{OUT(MAX)}})，其中LIR为电感纹波电流与满载电流在最小占空比下的比值，建议选择20%至40%以获得最佳性能和稳定性。应选择直流电阻尽可能低且能适应规定尺寸的电感，粉末铁氧体磁芯类型通常是性能最佳的选择。

VCC输入电容选择

输入电容可减少从输入电源汲取的电流峰值，降低IC中的开关噪声。总输入电容应满足公式(C_{INMIN }=frac{D × T{S} × I{OUT }}{V{IN-HIPLE }})，其中VIN - RIPPLE为输入电容上允许的最大输入纹波电压，建议小于最小输入电压的2%。输入电容在开关频率下的阻抗应小于输入源的阻抗，以确保高频开关电流通过输入电容分流。

输出电容选择

输出电容的关键选择参数包括电容值、等效串联电阻（ESR）、等效串联电感（ESL）和电压额定值。这些参数会影响DC - DC转换器的整体稳定性、输出纹波电压和瞬态响应。可通过公式估算输出电压纹波，选择陶瓷电容可降低ESR和ESL，减少输出电压纹波。

PCB布局

PCB布局对于实现设备的稳定运行至关重要。建议复制MAX5986A EV套件的布局以获得最佳性能。若需要进行调整，应遵循以下原则：

1. 将输入和输出电容连接到功率接地平面，其他电容连接到信号接地平面。
2. 将VDD、VCC、AUX、VDRV的电容尽可能靠近IC及其对应引脚，使用直接走线。保持功率接地平面（连接到PGND）和信号接地平面（连接到GND）分开。
3. 保持高电流路径短而宽，缩短开关电流路径，最小化LX、输出电容和输入电容形成的环路面积。
4. 将VDD、VCC和PGND分别连接到大面积铜区，有助于IC散热，提高效率和长期可靠性。
5. 确保所有反馈连接短而直接，将反馈电阻和补偿元件尽可能靠近IC放置。
6. 将高速开关节点（如LX）远离敏感模拟区域（如FB）。
7. 在MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A的EP焊盘上放置足够的过孔，以有效散热。过孔间距建议为1mm至1.2mm，热过孔应镀铜（1oz），孔径为0.3mm至0.33mm。

典型应用电路

文档中提供了MAX5986A 5V输出、MAX5986B/MAX5986C 12V输出以及MAX5987A 5V降压调节器输出和3.3V LDO输出的典型应用电路，为工程师在实际设计中提供了参考。

总结

MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A系列产品凭借其高度集成、高效节能、功能丰富等特点，为PoE系统提供了出色的电源解决方案。在设计过程中，工程师需要充分考虑其电气特性、工作模式、功能特性以及元件选择和PCB布局等方面，以确保设备的稳定运行和性能优化。你在使用这些产品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。