如何將MAX20058和MAX20059用于負輸出電壓應用

本文介紹如何在反相降壓-升壓（IBB）配置中使用MAX20058和MAX20059同步轉(zhuǎn)換器從正輸入電壓產(chǎn)生負輸出電壓。這些類型的系統(tǒng)在各種汽車應用中變得越來越普遍。這些反相電壓用于 EV/HEV 車輛或 ADAS 應用中的不同應用，例如 APD 偏置電源或柵極驅(qū)動偏置電源。

介紹

對ADAS功能的需求不斷增長，EV/HEV的引入提高了汽車應用中對電子內(nèi)容的需求，推動了對各種電源管理解決方案的需求。許多應用，如用于 LIDAR（光檢測和測距）應用的 APD 偏置電源、柵極驅(qū)動器偏置電源、控制器偏置和其他傳感器都需要負輸出電壓軌。

Maxim高壓同步降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)品組合具有低功耗、小解決方案尺寸和低噪聲等特點，可滿足客戶嚴格的汽車要求。本應用筆記演示了使用同步降壓穩(wěn)壓器（MAX20058/MAX20059）產(chǎn)生負電壓的技術。

設計注意事項

MAX20058/59 IC可配置為反相降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)，從正輸入電壓產(chǎn)生負輸出電壓。本應用筆記解釋了該過程。-24V輸出電壓應用用于演示原理。

表 1.負輸出電壓（電源要求）

工作輸入電壓范圍

最大工作輸入電壓和輸出電壓絕對值之和不得超過負輸出應用的最大工作電壓（MAX20059為80V，MAX20058為65V）。它表示為：

VIN_MAX + |VOUT |< 80V

因此，對于-24V輸出電壓，最大工作輸入電壓可高達56V。負輸出電壓應用的最小工作輸入電壓必須大于4.5V。

計算占空比

占空比和輸出電壓（忽略與功率開關和電感直流電阻相關的損耗）表示如下：

占空比在 5V 時為 0.83 至 40V 輸入電壓時為 0.38 之間變化。最高占空比（D.MAX） 發(fā)生在最小工作輸入電壓和最低占空比 （D最低） 在最大工作輸入電壓 （V在_最大值）。

應用信息

選擇電感器

指定器件操作的三個關鍵電感參數(shù)：電感值 （L）、電感飽和電流 （I坐），和直流電阻 （RDCR）。選擇電感峰峰值交流電流與直流平均電流（LIR）的比值，以選擇電感值。40%峰峰值紋波電流與平均電流之比（LIR = 0.4）是尺寸和損耗之間的良好折衷。MAX20059在PWM（脈寬調(diào)制）模式下的峰值電流限值為1.6A。然后，開關頻率、輸入電壓、輸出電壓和所選 LIR 確定電感值，如下所示：

V外我外，此處為 fSW 的標稱值。選擇最接近計算值的低損耗電感器，該電感器具有可接受的尺寸和盡可能低的直流電阻。飽和電流額定值（I坐）的電感必須足夠高，以便飽和僅發(fā)生在峰值限流值以上。下一個公式確保內(nèi)部補償斜率大于電感電流下降斜率的50%：

表 2.內(nèi)部斜率補償與開關頻率的關系

選擇 LMIN1 和 LMIN2 中較大的一個作為標稱電感值：

L = 最大值？（L最小值1，L分鐘2)

選擇標準電感值最接近L的電感器。所選電感的飽和電流必須大于MAX20059的峰值電流限值，峰值電流必須小。

小電感可以減少右半平面對交越頻率相位裕量的負面影響。在此選擇56μH電感器。

選擇輸入電容

輸入電容對于降低從輸入電源汲取的電流峰值、提高效率和減少噪聲注入非常重要。CIN的值很大程度上取決于輸入電源的源阻抗。源阻抗越高，輸入電容越高。在MAX20059的輸入端放置一個陶瓷電容，以減小電壓紋波。根據(jù)汽車行業(yè)標準，建議使用 X7R 陶瓷電容器。以下公式確定此設計所需的最小值：

選擇2.2μF、100V和10%X7R是因為電容的降額值。陶瓷電容器中的實際電容根據(jù)施加的直流電壓適當降額。有關更準確的降額模型，請參閱陶瓷電容器的制造商數(shù)據(jù)表。

選擇輸出電容

輸出紋波包括 ？VQ（由電容器放電引起）和？V紅沉降率（由輸出電容器的ESR引起）。在輸出端使用低 ESR 陶瓷或鋁電解電容器。這？V紅沉降率為鋁電解電容器提供整個輸出紋波。輸出濾波電容必須具有足夠的電容和足夠低的ESR，以滿足輸出紋波要求。為滿足規(guī)定的輸出電壓紋波，輸出電容的計算公式為：

當使用低ESR（例如陶瓷）輸出電容器時，尺寸通常取決于在負載瞬變期間將輸出電壓保持在規(guī)格范圍內(nèi)所需的電容。估計為：

V裁判是反饋電壓的基準，值為0.8V，GM為跨導誤差放大器的增益，值為60μA/V（典型值），R比較是補償網(wǎng)絡電阻，值為185kO，R我電流檢測增益為 0.5 （典型值）， fC是所需的環(huán)路交越頻率，假設為10kHz。

選擇較大的 C C外（MIN1） 和 C外（MIN2） 作為輸出電容。

C外= 最大值？（C輸出（最小1），C輸出（最小2)

選擇2.2μF、100V和10%X7R是因為電容的降額值。在涉及C的任何計算中考慮電容容差、溫度和電壓降額外.陶瓷輸出電容器中的實際電容根據(jù)施加的直流電壓適當降額。有關更精確的降額模型，請參閱制造商的輸出電容器數(shù)據(jù)手冊。

選擇前饋帽

通過并聯(lián)C增加相位裕量和帶寬6反饋電阻分壓器的頂部電阻R5在所需交越頻率（fC).為 R 分配固定值5并改變 R6以設置輸出電壓。

47pF電容可以增加相位裕量和帶寬。此設計不使用前饋帽。

調(diào)整輸出電壓

使用從電感接地端子連接到輸出電壓的電阻分壓器設置輸出電壓。將分頻器的中心節(jié)點連接到FB（反饋）引腳。為 R 分配固定值5并改變R6以設置輸出電壓。選擇電阻器R的值5和 R6如：

這里，R5 和 R6 以 kO 為單位，它們的值分別為 294kO 和 10kO。

設置輸入導通電壓

設置輸入電壓，通過V連接阻性分壓器接通MAX20059在到 V外 (圖2）。將分壓器的中心節(jié)點連接到 EN/UVLO（使能/欠壓鎖定）引腳。選擇 R1作為 3.32MO 并計算 R2使分壓器中心節(jié)點中的電壓高于EN閾值（1.115V）。

在這里，V在是打開MAX20059的輸入電壓。安·2值為 750kO 時，在大約 6V 輸入電壓下導通。

內(nèi)部環(huán)路補償

內(nèi)部補償網(wǎng)絡如下：

圖 1.內(nèi)部補償網(wǎng)絡。

選擇軟啟動電容器

MAX20059實現(xiàn)可調(diào)軟啟動操作，以降低浪涌電流。從SS（軟啟動）引腳連接到V的電容器外對軟啟動周期進行編程。軟啟動時間（t黨衛(wèi)軍） 與連接在 SS （C ） 處的電容器有關黨衛(wèi)軍） 通過以下等式：

C黨衛(wèi)軍= 6.25 × t黨衛(wèi)軍

在這里，t黨衛(wèi)軍以毫秒為單位，C黨衛(wèi)軍在納法拉中。例如，必須將一個12nF電容從SS引腳連接到V。外以編程 2ms 軟啟動時間。

設計原理圖

圖 2.設計原理圖。

參考設計 1

V在= 5V 至 40V， V外= -24V， I外= 50mA 和 f西 南部= 600kHz。

物料清單

表 3.參考設計的材料清單 1

實驗結(jié)果
典型性能

圖 3.50mA負載、5VIN、-24V時的穩(wěn)態(tài)工作外和 600kHz。

圖4.空載至50mA、5V的負載瞬態(tài)響應在， -24V外和 600kHz。

圖5.50mA 負載、5V 時的波特圖在， -24V外和 600kHz。

審核編輯：郭婷