如何將MAX20058和MAX20059用于負(fù)輸出電壓應(yīng)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(fù)輸出電壓。這些類型的系統(tǒng)在各種汽車應(yīng)用中變得越來越普遍。這些反相電壓用于 EV/HEV 車輛或 ADAS 應(yīng)用中的不同應(yīng)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(yīng)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(yīng)用，如用于 LIDAR（光檢測和測距）應(yīng)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(fù)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(yán)格的汽車要求。本應(yīng)用筆記演示了使用同步降壓穩(wěn)壓器（MAX20058/MAX20059）產(chǎn)生負(fù)電壓的技術(shù)。

設(shè)計注意事項

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

表 1.負(fù)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(fù)輸出應(yīng)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(fù)輸出電壓應(yīng)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(guān)和電感直流電阻相關(guān)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(yīng)用信息

選擇電感器

指定器件操作的三個關(guān)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(guān)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(biāo)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(guān)頻率的關(guān)系

選擇 LMIN1 和 LMIN2 中較大的一個作為標(biāo)稱電感值：

L = 最大值？（L最小值1，L分鐘2)

選擇標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)，建議使用 X7R 陶瓷電容器。以下公式確定此設(shè)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(dāng)降額。有關(guān)更準(zhǔn)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(dāng)使用低ESR（例如陶瓷）輸出電容器時，尺寸通常取決于在負(fù)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(zhǔn)，值為0.8V，GM為跨導(dǎo)誤差放大器的增益，值為60μA/V（典型值），R比較是補償網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(dāng)降額。有關(guān)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(shè)置輸出電壓。

47pF電容可以增加相位裕量和帶寬。此設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置輸入導(dǎo)通電壓

設(shè)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(dǎo)通。

內(nèi)部環(huán)路補償

內(nèi)部補償網(wǎng)絡(luò)如下：

圖 1.內(nèi)部補償網(wǎng)絡(luò)。

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(guān)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(shè)計原理圖

圖 2.設(shè)計原理圖。

參考設(shè)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(shè)計的材料清單 1

實驗結(jié)果
典型性能

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

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

圖5.50mA 負(fù)載、5V 時的波特圖在， -24V外和 600kHz。

審核編輯：郭婷