具有数/模转换功能的DC-DC转换器

    摘要：MAX686是一种具有数/模控制功能的新颖DC-DC转换器，它具有转换精度高、体积小、集成度高、功耗小、效率高等特点。因此，在数按电源和单片机应用电路中获得广泛应用。

    关键词：数/模转换器（DAC） DC-DC转换器  脉冲频率调制器（PFM） MAX686

1 概述

    在实际应用电路中，电源的精度是很重要的，它的优劣直接影响到应用电路的性能。因此，在电路设计时，必须把电源精度作为电路设计的首要任务。

    MAX686是一种具有数/模控制功能的新型DC/DC转换器，它能把正的、宽范围的输入电压（0.8～27.5V）转换成正极性或负极性的输出电压（27.5V或-27.5V）。由于该芯片利用数/模转换技术，所以转换精度较高，可为单片机控制提供数字接口和数控电源。

    高集成度是该芯片的重要特点之一。它能节省空间，降低功耗和延长电池的寿命，是电池供电设备中理想的直流电流转换器。

    脉冲频率调制器（PFM）和高开关频率（300kHz）是MAX686的另一个特点。PFM控制线路能在较宽的负载变化范围内获得很高效率。这个特点在实际应用中具有极高的价值。高开关频率能使芯片的外围元件的体积大大缩小。

2 芯片介绍

2.1 主要标点

    MAX686主要有如下特点：

    ●内含一个N型MOSFET管（500mA，28V）；

    ●输出电压可为正极性或负极性输出（27.5V或-27.5V）；

    ●效率高达90%；

    ●片内带有一个控制输出电压的6位DAC；

    ●具有单片机控制的数字接口；

    ●静态电流仅为：65μA；

    ●关闭电流只有1.5μA；

    ●开关频率为300kHz；

    ●具有电源好（POK）指示功能。

2.2 极限参数

    ●电源电压（Vcc=VDD）：-0.3V～+6V；

    ●反馈输入电压（VFB）：-0.3V～（Vcc+0.3V）；

    ●参考输出电压（VREF）：-0.3V～（Vcc+0.3V）；

    ●DAC输出电压（VDAC）：-0.3V～（Vcc+0.3V）；

    ●电源地到地间的电压：-0.3V～+0.3V；

    ●片内MOSFET管的漏极电压（VLX）：-0.3V～+30V；

    ●电源好比较器开漏输出电压（VPOK）：-0.3V～+30V；

    ●功耗：667mW；

    ●存贮温度：-65～+160℃；

    ●引线焊接温度：+300℃。

2.3 推荐参数

    ●电源电压（Vcc=VDD）：5V；

    ●输入电压（VIN）：5V；

    ●电源电流：65μA；

    ●线性调节：0.1%/V；

    ●负载调节：0.01%/mA；

    ●参数电压：1.250V；

    ●工作温度：0～+70℃。

2.4 引脚功能

    MAX686采用小型16脚QSOP封装，引脚排列如图1所示。各引脚功能如下：

    1脚PGND：电源地线，应用时常与GND相连。

    2脚UP：输出电压增加时的输入端。

    3脚DN：输出电压减小时的输入端。

    4脚POL：极性输入端。改变极性和FB的门限值能够调节正极性输出电压或负极性输出电压。当POL=GND时为正极性输出电压；当POL=Vcc时为负极性输出电压。

    5脚VDD：片内MOSFET门驱动电源。通常该引脚与Vcc相连。

    6脚ISET：Lx电流限制设置端。该引脚的连接方式参改变片内开关管峰值电流的限制值。ISET和Vcc相连时，电流限制值为500mA；ISET和GND相连时，电流限制值为250mA。

    7脚SHDN：关断输入端。当SHDN为低电平（逻辑电平）时为关断模式；当SHDN和Vcc相连时，为正常模式。

    8脚DACOUT：为DAC输出电压引脚。

    9脚REF：参数输出引脚。通常该引脚用0.1μF陶瓷电容对地旁路。

    10脚FB：反馈输入引脚。通常它连到外部电阻分压器以调节MAX686的输出电压。

    11脚POK：电源-OK传感输入/电源-OK比较输入引脚。当VPOK>1.125V时，LCDON为低电平；POK连到电阻分压器时，可用于监视VIN或VOUT。

    12脚Vcc：芯片电源输入引脚。

    13脚GND：地线。

    14脚LCDON：电源-OK比较器开漏输出引脚。连到外部开关能使LCD电源接通或断开。

    15脚NC：悬空。

    16脚LX：片内开关的漏极端（28V/500mA）

3 工作原理

    MAX686的内部功能如图2所示。它由能控制输出电压大小的6位DAC、误差放大器、偏置电路、电源好比较器、开关接通/断开控制器、电流限制比较器、参数电压源、数字接口、COSFET等部分组成。现将主要电路说明如下：

3.1 升压控制线路

    升压控制线路是由电流限制比较器（限制峰值电流大小）、开关接通/断开控制器和MOSFET组成。在应用电路中，当极性输入端POL和GND相连时，电路为升压电路，此时输出为正极性电压。在接通周期，片内开关管（MOSFET）闭合，此时流过电感器的电流逐渐上升，直到满足最大接通时间（10μs）或达到峰值电流限制值（ISET=Vcc，500mA；ISET=GND，250mA）为止。在接通周期结束后，片内开关管断开，此时电感器通过二极管和输出电容充电，输出电压逐渐增加。如果在最小断开时间以后，输出电压处于调节电压范围之外，则产生（开始）另一个接通时间；如果在最小断开时间时，输出电压在调节电压范围之内，则要扩大断开时间，直到输出电压达到调节电压范围之外为止。

    在极性输入端POL和Vcc相连时，电路为负极性电路，此时输出为负极性电压。在这个过程中，MAX686把FB引脚上的电压VFB调节到0V，误差放大器的极性倒置，最小断开时间为3.5μs。

3.2 数/模转换器（DAC）

    MAX686片内含有一个6位计数器和数字控制输出电压的DAC，利用增加输出电压输入引脚UP和减小输出电压引脚DN来驱动可逆计数，从而达到直接控制DAC的目的。在正极性电压输出时，为了增加输出电压的大小，必须在UP引脚上加一个上升沿，使DAC输出电压减少一些，从而达到增加输出（VOUT）的目的。相反，为了减少输出电压，必须在DN引脚上加一个上升沿，使DAC输出电压增加一步，从而达到减少输出电压的目的。在负极性电压输出时，UP和DN引脚控制倒置的方向，输出电压的大小与正级性电压输出控制方法相同。

    UP上电后，DAC数据达到中间刻度，而一旦达到满刻度或零刻度，DAC计数器就不再翻转。因此，利用附加上升沿能使计数器翻转现象消失，从而避免不希望的欠压和过压现象。

3.3 电源好比较器

    电源好（POK）引脚是电源好比较器的一个输入端，比较器的输出端能驱动片内一个N沟道MOSFET，而MOSFET的开漏输出LCDON能驱动片外一个PNP晶体管或P沟道MOSFET，从而为LCD提供正输出电压VOUT。当POK引脚上的电压VPOK>1.125时，LCDON变低，接通外接晶体管；当POK引脚上的电压VPOK<1.125V时LCDON变高，断开外接晶体管，这种特性能保证LCD正常显示。在停止或欠压锁定模式，LCDON为高阻态。

3.4 关闭模式

    当SHDN为低电平时，MAX7686进入关闭模式，此时片内控制电路、POK比较器、DAC输出缓冲器、参考源和片内偏置电路均断开。

    在关闭模式，电源电流下降为1.5μA。在正常工作状态时，关闭输入引脚（SHDN）与Vcc℃相连。

    在关闭模式，输出电压依赖于输出电压的极性。在正极性输出电压线路中，输出通过二极管（D1）和电感器（L1）直接连到输入。当器件在关闭模式时，输出电压下降到一个二极管压降之下，此时输入电压和任何负载均可连到输出端，并有导电电流。在负极性输出电压线路中，输出和输入之间没有直流通路，在关闭模式下，输出电压下降到地电平（GND）。

4 应用电路

    由MAX686和少量外围元件能组成各种应用电路。下面是两种最典型的应用电路。

4.1 正电压输出的变换器

    图3所示为具有正电压输出的升压变换器电路。该电路能把输入电压从0.8V～27.5V变换成高于输入的输出电压。只要利用片内的数/模转换器（DAC）并适当选择R2和R3的值，就能实现各种升压变换，使用极为方便。不仅为此，它还能监控输出电压。为了监控输出电压，特把FB和POK引脚相连，当输出电压下降到规定值的10%以下时，POK电路能断开外接PNP晶体管，从而使负载断开。

4.2 负电压输出的变换器

    具有负电压输出的降压变换器实际线路如图4所示。该电路能把输入电压从0.8V～27.5V变换成各种规格的负输出电压。它与正电压输出的变换电路基本相同，主要区别在于输出端多一个二极管和电容。