DC-DC变换器ICMAX786及其应用

    摘要：MAX786是MAXIM公司生产的DC-DC变换器，它主要应用于笔记本电脑等小型化、轻量化的便携式设备中。文中介绍了MAX786工作原理、外围电路的设计方法以及设计时注意事项，同时给出了其具体的应用电路。

    关键词：MAX786 变换器 DC-DC

为了使笔记本电脑等一类便携式电子设备小型化和轻量化，同时为了抑制功耗和降低电源电压，设计师们越来越多地使用大规模集成电路来工作。对于这类设备的电源部分，即使是在输出电压较低的情况下，也希望有一个高效率的DC-DC变换器。而实现这种高效率电源，并用于同步整流型电源的控制器则首推MAXIM公司生产的MAX786.利用MAX786可以很方便地同时输出稳定的5V和3.3V电压，是一种高性能的降压型DC-DC变换器IC。

1 MAX786概述

1.1 特点

MAX786具有如下特点：

●可以获得3.3V和5V两路固定输出电压；

●可以获得最大95%的变换效率；

●省电。工作时自身消除电流为420μA，待机时消耗电流仅为70μA；

●输入电压范围宽（5.5～30V）。

1.2 内部结构及参数

图1所示为MAX786的内部结构图。由图可见，MAX786内含两个控制电路、四个功率MOSFET驱动器、两个比较器以及振荡频率为200kHz或300kHz的振荡器。

1.3 引脚说明

VL引脚（22）：5V电压输出端，最大输出电流为5mA。由图1可见，电源起动时由连接到输入电源上的V+端给稳压器提供电源。但当5V输出（FB5端）上升到4.5V以上时，稳压器关断，Q1接通，FB5端与VL端短接，其结果是5V电压由VL端输出。正是由于MAX786具备这一功能，因而减小了稳压器的损耗，提高了效率。此外，该端子应选用一个4.7μF电容旁路到地。

REF引脚（10）：3.3V基准输出端，最大输出电流为5mA。该端口应采用电容旁路接地，其容量通常为0.22μF+1μF/mA。但在负载电流较大时，该电容往往会给各档输出电压带来某些影响。

SS3引脚（2）与SS5引脚（14）：如果在该两引脚上接上电容，电源接通过时输出电压的上升速率将会变缓，因而可以抑制上电时产生的电流冲击。上升时间tr可由公司tr≈1ms/nF求得。在输出为5V时，通常连接10～100nF的电容器。

ON3引脚（3）与ON5引脚（13）：这两个端子是接通或关断3.3V与5V输出的端子，通常情况下将它们连接到VL端。如果接地，则将关断MAX786的输出。

SYNC引脚（11）：如果把SYNC接地或者接VL端，则IC内部的振荡频率为200kHz；如果将它接REF端，则产生的振荡频率为300kHz。

需要说明的是：当需要设计多组输出电源时，往往要使用若干个驱动电路。由于印制版上存在着振荡频率不同的时钟信号，将会产生诸如差拍干扰等弊端问题。这时，利用SYNC端可使这些驱动电路都与同一个时钟信号同步，这样，该问题就可以得到圆满的解决。

D1引脚（4）与D2引脚（5）：把5V与3.3V输出电压输入到这两个端口上时，可以构成阈值电压为1.65V的低压检测电路。如果用电阻进行分压，还可以任意设定检测电压的大小。图2所示为其输出通/断开关电路，如果将内部比较器输出一侧的电源（VH端）连接到3～19V的任意电源上作为电平变换器使用，则可控制由功率MOSFET构成的输出开关。比较器的输出端Q1（8脚）与Q2（7脚）也可以以“线或”的形式互相连接在一起，其连接方式如图3所示。

SHDN引脚（12）：如果SHDN端为“低”，则REF输出与比较器将停止工作，且3.3V与5V输出也将关断，但VL端的输出仍会维持在5V，这时消耗电流为25μA。如果SHDN端为“高”，而ON3端及ON5端为“低”，则电路处于待机方式，3.3V与5V输出截止，但此时节VL输出，REF输出与比较器仍处于工作状态，其消耗电流为70μA。

2 外围电路的设计方法

图4所示是采用MAX786构成的具有3A输出电流的3.3V/5.0V DC-DC变换器，它同时带输出开关。该电路的主要指标如下：

●输入电压：6.5～30VDC；

●输出电压：5V与3.3V；

●输出电流：3A；

●工作频率：300kHz。

设计时，如果扼流圈 L1及L2的脉动电流（峰-峰）为最大输出电流的30%，则电感电流的峰值为输出电流的1.15倍。这样可以算出L1、L2的值分别为：L1≈10.9μH，L2≈15.4μH。如果使用10μH电感，在电感中流过的脉冲电流峰值ΔIL应为3.49A。

工作在额定电流时，如果在取样电阻Rcs上产生的电压为80mV，那么，Rcs应选用25mΩ。

输出滤波电容主要与控制系统的电路稳定性、输出纹波电压和负载电流突变时的特性有关。为保持其中最具优先条件的电路稳定性，必须满足以下两个条件：

第一个条件为：CF>Vref/(2πVoutRcsG)

其中CF为输出滤波电容的容量，Vref为基准电压（3.3V），G为增益带宽积（60×103Hz），Rcs为电流取样电阻（0.025Ω），Vout为输出电压。由此可以求得C6>70μF，C7+C12>106F。

第二个条件为：RESR

这里RESR为输出滤波电容的等效串联电阻，由上式可以求出：RESR(C6)<38mΩ，

RESR（C7+C12）<25mΩ。

脉动电压是电源电路的重要指标之一。在负载电流较大时，脉动电压VR可由下式求得：

VR=IL[(RESR+1/(2πfCF))]

其中IL为扼流圈L1与L2中流过电流的峰-峰值（5V系统为1.38A，3V系统为0.98A），CF为输出滤波电容C6、C7、C12的容量，f为振荡频率（300kHz），RESR为输出滤波电容的等效串联电阻。

由上式可以计算出容量为47μF、ESR为50mΩ的两个电容器并联使用时的纹波电压为VR（5）≈42mV，VR（3.3）≈30mV。这里VR（5）为5V输出的脉冲电压，VR（3.3）为3.3V输出的脉动电压。

当负载电流较小时，MAX786处于空载方式，此时的纹波电压由VRC与CRR两部分相加而成。VRC为由输出滤波电容引起的脉动分量，VRR为其ESR引起的脉动分量。

3 注意事项

在设计时，应在以下几方面特别注意：

（1）印制版的布线：对于开关电源这种电源电路来说，电源性能的优劣常常取决于零件的选择、印制版上零件的配置和布线的好坏。

输出滤波电容C6引线长度的改变，将引起输出纹波电压的变化。同样的元件，由于引线长度不同，特性就会有较大的差异。特别是在高效率DC-DC变换器的，如果引线式元件的ESR过大，则应使用帖片式元件。

（2）功率MOSFET在选择时应由输入电压的最大值（30V）来选择功率MOSFET的漏-源间电压VDSS。接通时的控制电压是由VL端提供的5V电压，因此用逻辑电平来使之导通是比较理想的。另外，如果不选用反向恢复时间trr很快的二极管，则将降低电路的效率。

在图4的MAX786应用电路中，Tr1～Tr6选用了日本的Si9410DY，它的特性如下：

●Qg=24nCtyp(Ciss=1200PF @VGS=10V)

●接通电阻30mΩ(VGS=5Vtyp)

●VDS=30V

在实际使用时，还必须经过上机确认。

（3）电流取样电阻应选择低阻值、耐冲击电流、电感分量小的器件。不能用线绕电阻，应采用片式电阻。

在输出电流大到几安培时，由于扼流圈所产生的漏磁场将影响其周边电路。因此在接近高灵敏度器件时，应使用封闭磁路型的扼流圈。所谓封闭磁路是指线圈用铁芯包裹以使磁力线难以外泄的一种结构。

（4）选用输入、输出滤波电容时，必须确认其ESR值与脉动电流的大小。特别当使用钽电容时，应选用具有规定浪涌电流的开关电源专用器件。此外确认其ESR值与脉动电流的大小。特别当使用钽电容时，应选用具有规定浪涌电流的开关电源专用器件。此外还必须注意电解电容的使用寿命。对这类电容，通常应选用ESR值小、体积小、容量大的器件，同时对负载的急剧变化应具有良好的特性，另外，还应具备稳定的温度特性。