基于MAX5941電源芯片實(shí)現(xiàn)48V電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)對(duì)以太網(wǎng)供電（POE）做出了詳盡的規(guī)定，它允許通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)提供48V電源，IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)中定義的電源供電設(shè)備（PSE）是能夠通過10BASE-T、100BASE-T或者1000BASE-T網(wǎng)絡(luò)提供電源的DTE或者M(jìn)idspan設(shè)備，而IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)中定義的受電設(shè)備（PD）則是通過網(wǎng)絡(luò)從電源供電設(shè)備（PSE）取得電源的設(shè)備.IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的PSE可以提供約13W功率。從而使小型數(shù)據(jù)設(shè)備可以通過它們的以太網(wǎng)連接獲得電源，而不需要從墻上的交流電源插座獲取電源。這些設(shè)備包括數(shù)字VoIP電話、網(wǎng)絡(luò)無線接入點(diǎn)、因特網(wǎng)設(shè)備、計(jì)算機(jī)電話、安全攝像機(jī)或任何以太網(wǎng)連接的數(shù)據(jù)設(shè)備.IEEE 802.3af 標(biāo)準(zhǔn)的推出，大大擴(kuò)展了以太網(wǎng)的應(yīng)用，同時(shí)也給以太網(wǎng)帶來了巨大的發(fā)展空間。

1 MAX5941的功能

MAX5941A/MAX5941B是一款高度集成的電源IC，適用于以太網(wǎng)供電（POE）系統(tǒng)中的受電設(shè)備（PD）.MAX5941A/MAX5941B有兩個(gè)功能，一是提供PSE與PD之間的接口，二是通過DC-DC PWM控制器實(shí)現(xiàn)48V電源轉(zhuǎn)換以輸出5V或者PD所需要的電壓，輸出電壓可實(shí)現(xiàn)隔離或者非隔離.MAX5941A的最大占空比為85%，可用于反激式轉(zhuǎn)換器.MAX5941B的占空比限制在50%以內(nèi)，主要用于單端正激式轉(zhuǎn)換器中。

2 IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的PD接口特性

MAX5941的PD接口特性符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)，可為PD提供偵測(cè)特征信號(hào)和分級(jí)信號(hào)，此外，MAX5941還集成了一個(gè)具有可編程浪涌電流控制功能的集成隔離開關(guān)，同時(shí)還具有寬滯回供電模式欠壓鎖定（UVLO）以及“電源好”狀態(tài)輸出等功能。

在偵測(cè)和分級(jí)期間，由于集成的MOSFET可提供PD隔離，MAX5941可保證偵測(cè)階段的泄漏電流失調(diào)小于10μA.其可編程限流功能可防止上電期間產(chǎn)生很高的浪涌電流。這些器件的UVLO供電模式具有寬滯回和長故障消隱時(shí)間等特性，因而可補(bǔ)償電壓在雙絞電纜上的阻性衰減，并確保系統(tǒng)在偵測(cè)、分級(jí)和上/掉電諸狀態(tài)間無擾動(dòng)地轉(zhuǎn)換.MAX5941的UVLO門限可調(diào)，并具有一個(gè)兼容于IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的缺省值.MAX5941可工作于PD前帶有或不帶二級(jí)管橋的設(shè)計(jì)中。

MAX5941有三種不同的工作模式：PD偵測(cè)、PD分級(jí)和PD供電模式。

偵測(cè)模式（1.4V≤VIN≤10.1V）下，供電設(shè)備（PSE）將向VIN施加兩種1.4V～10.1V范圍內(nèi)的電壓（最小步長1V），然后記錄兩個(gè)點(diǎn)的電流值，并由PSE計(jì)算ΔV/ΔI，以確認(rèn)25.5kΩ特征電阻是否存在。在此模式下，MAX5941內(nèi)部的大部分電路處于關(guān)閉狀態(tài)，失調(diào)電流小于10μA.如果施加在PD上的電壓有可能被顛倒，則需要在輸入端安裝保護(hù)二極管，以免對(duì)MAX5941造成內(nèi)部損傷。由于PSE使用斜率技術(shù)（ΔV/ΔI）來計(jì)算特征阻抗，這樣，保護(hù)二極管引起的直流偏差已被扣除，因而不會(huì)影響偵測(cè)過程。

分級(jí)模式（12.6V≤VIN≤20V）下，PSE根據(jù)PD所要求的功率對(duì)PD進(jìn)行分級(jí)。以便PSE高效地管理功率分配.IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)定義了五個(gè)不同的級(jí)別。分級(jí)電流可由連接在RCL與VEE之間的外部電阻（RCL）來設(shè)定.PSE通過在PD輸入端施加一個(gè)電壓，以及測(cè)量流出PSE的電流來確定PD的分級(jí)。當(dāng)PSE施加一個(gè)介于12.6V～20V之間的電壓時(shí).PSE利用分級(jí)電流信息區(qū)分PD所需要的功率。分級(jí)電流包括25.5kΩ?jìng)蓽y(cè)特征電阻吸收的電流和MAX5941的電源電流，PD吸收的總電流應(yīng)在IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)。進(jìn)入供電模式后，分級(jí)電流將被關(guān)斷。

供電模式下，當(dāng)VIN上升至欠壓鎖定門限（ VUV-LO，ON）以上時(shí)，MAX5941將逐步開啟內(nèi)部N溝道MOSFET管Q1.圖1是MAX5941的內(nèi)部接口電路框圖.MAX5941用一個(gè)恒流（典型值為10μA）對(duì)Q1柵極充電.Q1的漏-柵電容限制了MOSFET漏極電壓的上升速率，因而限制了浪涌電流。為了降低浪涌電流，也可在外部添加漏-柵電容。當(dāng)Q1的漏-源電壓降至1.2V以下，且柵-源電壓高于5V時(shí)，MAX5941會(huì)發(fā)出“電源好”信號(hào)。由于MAX5941具有較寬的UVLO滯回和關(guān)斷消隱時(shí)間，因而可補(bǔ)償雙絞電纜的高阻抗。

3 用MAX5941實(shí)現(xiàn)48V電源轉(zhuǎn)換

MAX5941是電流模式的PWM控制器，可將48V輸入電源轉(zhuǎn)換成5V電壓輸出，MAX5941用內(nèi)部穩(wěn)壓器取代高功耗的啟動(dòng)電阻，這不但可為MAX5941提供啟動(dòng)所需的電能，還能穩(wěn)定第三（偏置）繞組的輸出電壓，從而為IC提供穩(wěn)定的工作電源。開始啟動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器將V+調(diào)整到VCC并為器件提供偏置。啟動(dòng)之后，改由VDD穩(wěn)壓器從第三繞組輸出穩(wěn)定的VCC.此結(jié)構(gòu)只需一只很小的電容即可對(duì)第三繞組的輸出進(jìn)行濾波，從而省下了一只濾波電感的成本。

在設(shè)計(jì)第三繞組時(shí)，所設(shè)計(jì)的線圈匝數(shù)應(yīng)保證最小反射電壓始終大于12.7V.而最大反射電壓則必須小于36V.

為降低功耗，當(dāng)VDD電壓達(dá)到12.7V后，可以將高壓調(diào)節(jié)器關(guān)掉。這樣可以降低功耗并改善效率。如果VCC降低到欠壓鎖定門限（VCC=6.6V）以下，低壓調(diào)節(jié)器將被關(guān)閉，電路重新進(jìn)入軟啟動(dòng)。此時(shí)欠壓鎖定狀態(tài)MOSFET驅(qū)動(dòng)器的輸出（NDRV）保持為低。

如果輸入電壓介于13～36V之間，只要不超出最大功耗，就可以將V+和VDD連接到線電壓。這樣就可省掉第三繞組。

4 MAX5941的設(shè)計(jì)實(shí)例

MAX5941的一般設(shè)計(jì)步驟如下：

●確定具體需求

●設(shè)定輸出電壓

●計(jì)算變壓器主、副繞組匝比

●計(jì)算復(fù)位繞組與主繞組匝比

●計(jì)算第三繞組與主繞組匝比

●計(jì)算檢流電阻值

●計(jì)算輸出電感值

●選擇輸出電容。

圖2是用MAX5941B設(shè)計(jì)的正激式DC/DC轉(zhuǎn)換器，具體計(jì)算如下：

（1）對(duì)于30V≤VIN≤67V，VOUT=5V，IOUT=10A，VRIPPLE≤50mV的要求。開啟門限應(yīng)設(shè)為38.6V.

（2）設(shè)定輸出電壓時(shí)，可根據(jù)下式計(jì)算電阻R1和R2：

VREF/VOUT=R2/（R1+R2）

式中VREF是并聯(lián)調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓。

（3）根據(jù)最小輸入電壓和MAX5941B的最大占空比下限（44%）計(jì)算變壓器匝比時(shí)，為了能夠使用漏-源擊穿電壓小于200V的MOSFET，本設(shè)計(jì)選用最大占空比為50%的MAX5941B.然后根據(jù)下式計(jì)算匝數(shù)比：

NS/NP≥（VOUT+VD1×DMAX）/（DMAX×VIN_MIN）

式中：NS/NP為匝數(shù)比（NS是副繞組匝數(shù)，NP是主繞組匝數(shù)），VOUT為輸出電壓（5V），VD1為D1上的壓降（功率肖特基二極管典型壓降為0.5V），DMAX為最大工作占空比的最小值（44%），VIN_MIN為最小輸入電壓（30V），對(duì)于本例：NS/NP≥0.395，選擇NP =14時(shí)，NS=6.

（4）較低的復(fù)位繞組匝比（NR/NP）可確保變壓器中的所有能量在最大占空比下的關(guān)閉周期內(nèi)能夠全部返回V+.可用下式來確定復(fù)位繞組匝比：

NR≤NP×（1-DMAX‘）/DMAX’

式中：NR/NP為復(fù)位繞組匝比，DMAX‘為占空比的最大值（50%），計(jì)算NR=14.

（5）選擇第三繞組匝比（NT/NP），以使最小輸入電壓能夠在VDD處提供最小工作電壓（13V）?？刹捎孟率接?jì)算第三繞組匝比：

NP（VDDMIN +0.7）/ VIN_MIN≤NT≤NP（VDDMAX+0.7）/ VIN_MAX

式中：VDDMIN是最小VDD電源電壓（13V），VDDMAX是最大VDD電源電壓（30V），VIN_MIN是最小輸入電壓（30V），VIN_MAX是最大輸入電壓（本設(shè)計(jì)為67V），NP是主繞組匝數(shù)，NT是第三繞組匝數(shù)：可選擇NT=7.

（6）根據(jù)下式選擇RSENSE：

RSENSE≤VILIM/（NS×1.2×IOUTMAX/NP）

式中：VILIM是檢流比較器的觸發(fā)門限電壓（0.465V），NS/NP是副端匝比（本例為5/14），IOUTMAX是最大直流輸出電流（本例為10A），RSENSE選90.4mΩ。

（7）選擇電感時(shí)，應(yīng)使電感中的峰值紋波電流（LIR）介于最大輸出電流的10%和20%之間：

L≥（VOUT+VD）（1-DMIN）/（2LIR×275kHz×IOUTMAX）

式中VD是輸出肖特基二極管的正向壓降（0.5V），LIR是電感紋波電流與直流輸出電流之比。本例中，L選4.01μH.

（8）輸出濾波電容的容量和ESR可決定輸出紋波。選擇低ESR電容有利于滿足紋波電壓的要求。圖2中選擇了三只560μF的電容。

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