基于MAX1524的DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理和應(yīng)用詳細(xì)分析 - 全文

1　引言

MAX1524是美國MAXIM公司生產(chǎn)的一種小型、升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，可應(yīng)用于升壓型、SEPIC 、反激型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。具有固定的導(dǎo)通時間和最小的關(guān)斷時間，可以在較寬的輸入/輸出電壓組合和負(fù)載電流下提供高效率。固定的導(dǎo)通時間是可以選擇的，分別是最大占空比為50％的0.5μs和85％的3μs，使其在較寬的輸出范圍內(nèi)，對外接元件的尺寸和成本的優(yōu)化更為方便。 MAX1524采用自舉工作方式，允許在較低的輸入電壓下啟動，器件具有內(nèi)部軟啟動和短路保護(hù)功能，并且具有故障鎖定功能，當(dāng)發(fā)生短路時自動關(guān)斷控制器。該器件采用6引腳的SOT23封裝，具有低靜態(tài)電流（25μs），不需電流檢測電阻。廣泛地應(yīng)用于數(shù)字相機(jī)、液晶顯示器和其它低功耗的電子產(chǎn)品中。

2　工作原理

2.1　封裝形式

MAX1524的封裝形式如圖1所示。

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2.2引腳功能

——腳1GND，接地端；

——腳2FB，反饋輸入，連接一個外部電阻分壓器，F(xiàn)B的反饋值為1.25V;

——腳3SET，導(dǎo)通時間控制，當(dāng)連接到VCC時，為3μs，占空比為85％；當(dāng)連接到GND時，為0.5μs，占空比為50％；

——腳4SHDN，關(guān)斷控制輸入，高電平為正常工作，低電平為關(guān)斷狀態(tài)；

——腳5EXT，外部MOSFET驅(qū)動端；

——腳6VCC，電源輸入端，用0.1μF的電容器旁路，輸入范圍為2.5V～5.5V，采用自舉工作方式，通過一個10Ω的電阻器串聯(lián)在輸出端。

2.3　工作原理

MAX1524一般采用自舉工作方式，其低壓啟動振蕩器保證輸入電壓在低于1.5V時啟動器件。啟動振蕩器用一個25％的占空比信號觸發(fā)MOSFET，使輸出電壓升高，當(dāng)輸出電壓超過欠壓封鎖閾值時，使正常的控制電路開始工作，而啟動振蕩器停止工作。

對于不同的輸出電壓/輸入電壓組合，MAX1524具有可選的固定導(dǎo)通時間，從而實現(xiàn)高效工作。高升壓比時推薦使用3μs的導(dǎo)通時間，這樣允許占空比超過80％，可以改善工作效率。在低升壓比和高頻工作時，使用0.5μs的導(dǎo)通時間比較好，這樣可以減少外接電感器和電容器的尺寸。

MAX1524的軟啟動功能可以減小啟動時的電感電流、輸入電容和電感應(yīng)力。軟啟動時間為3.2ms，不需外部元件。當(dāng)軟啟動結(jié)束，若輸出電壓降到正常穩(wěn)壓值的一半以下時，器件工作在故障鎖定狀態(tài)，使SHDN處于低電平，器件處于關(guān)斷狀態(tài)，內(nèi)部控制電路關(guān)閉，EXT輸出低電平，電流降到1μA，輸出電壓比輸入電壓低一個二極管正向?qū)▔航怠．?dāng)VCC降到2.37V以下時，器件被欠壓鎖定。

3　典型應(yīng)用

MAX1524可以在連續(xù)或非連續(xù)模式下工作。當(dāng)電感電流不允許衰減到零值時，器件在連續(xù)模式下工作，這需要選用大電感，使電感紋波電流低于輸入電流的一半。該模式的優(yōu)點是峰值電流較小，電阻損耗小和輸出紋波低。當(dāng)電感足夠大，使最大負(fù)載下的紋波電流為輸入電流的30％時，可以使暫態(tài)工作特性最好、效率最高。但是在輕載下，例如負(fù)載小于最大負(fù)載的1/6時，會轉(zhuǎn)變到非連續(xù)工作狀態(tài)。

在非連續(xù)模式下工作有兩種情況：（1）高輸出電壓，即輸出電壓/輸入電壓超過了MAX1524最大占空比時可以得到的數(shù)值。當(dāng)外加占空比超過最大占空比的80％時，需采用非連續(xù)工作模式。（2）小輸出電流，當(dāng)最大輸出電流非常小時，若使用大電感，在體積和費用上均不劃算，此時可以使用小電感使其在非連續(xù)模式下工作。當(dāng)負(fù)載電流與輸出電壓/輸入電壓比值的乘積低于幾百毫安時，需采用非連續(xù)模式工作。

1）輸出電壓的設(shè)置：在輸出和地之間通過電阻分壓器連接到FB端，R2在30kΩ～100kΩ之間選擇，R1由式（1）計算后選擇。

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3.1連續(xù)模式下的設(shè)計

1）導(dǎo)通時間的選擇

對于連續(xù)工作狀態(tài)，MAX1524的占空比必須高于外加最大占空比。當(dāng)外加占空比高于45％時，連接SET與GND，0.5μs的導(dǎo)通時間使開、關(guān)的速度非?？?；當(dāng)應(yīng)用80％的占空比時，應(yīng)連接SET與VCC，得到3μs的導(dǎo)通時間，此時必須采用非連續(xù)工作模式。

2）開關(guān)頻率的確定

在連續(xù)模式中，對于重載或中載，開關(guān)頻率與負(fù)載IL無關(guān)，與VIN有關(guān)。

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若計算出LI不是標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)選擇最接近此計算值的標(biāo)準(zhǔn)值，誤差可在±50％之間。若選擇的電感值低于計算的理想值，峰值電感電流會偏高一點，反之，峰值電感電流會偏低一點。鑒于工作頻率較高，推薦使用鐵氧體鐵芯，不要使用一般鐵芯。電感的飽和電流應(yīng)高于計算的峰值電流，并且其串聯(lián)等效電阻（ESR）應(yīng)盡量低。串聯(lián)等效電阻的能耗為：

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電容值一般選擇COUT（MIN）的2倍～3倍。建議不要使用陶瓷電容器，而使用鉭電解電容器等。

3.2　非連續(xù)模式的設(shè)計

連接SET與GND，使最大占空比低于67％；連接SET與VCC，最大占空比在67％～99％之間，非連續(xù)模式可以在任何占空比下工作。當(dāng)外加占空比接近SET設(shè)置的最大占空比時，工作性能最佳。

1）開關(guān)頻率的計算

開關(guān)頻率與負(fù)載電流成正比關(guān)系：

4）輸出電容器的選擇

在非連續(xù)模式下工作，輸出電容器可以選用低ESR的陶瓷電容器或鉭電解電容器等。對

6）反饋電容器的選擇

對于兩種工作模式，若使用前饋電容器，會在FB端得到較大的輸出紋波。因此需要在FB與GND之間連接一個反饋電容器。反饋電容值CFB一般與CFF相等，并可以上下調(diào)整。若不使用前饋電容器，則不需要反饋電容器。

7）輸入電容器的選擇

輸入電容器CIN可以減小輸入電源的電流峰值，提高效率，減小噪聲。輸入電源的阻抗值決定了CIN的大小，阻抗值越高，電容越大，一般選擇CIN=COUT。

考慮到電容器的體積，推薦使用01μF的陶瓷電容器。在自舉工作時，用一個10Ω的電阻器連接在輸出端和VCC之間，將輸入電容器和輸出電容器隔離。

8）功率MOSFET的選擇

需要選擇N溝道MOSFET，主要考慮總的柵極電荷Qg、反向傳遞電容或電荷CRSS、通態(tài)電阻RDS(ON)、最大的VDS（MAX）、最小的閾值電壓VTH(MIN)。當(dāng)高頻工作時，Qg和CRSS對效率的影響更大一些，為主要考慮對象。

9）二極管的選擇

高頻工作時要求選擇快速二極管，推薦使用肖特基二極管，因為其具有快恢復(fù)時間和低的正向壓降。其電流額定值應(yīng)為，反向擊穿電壓必須高于VOUT。當(dāng)輸出電壓較高時，可選用硅整流二極管。

基于以上參數(shù)的計算方法，以一電源的設(shè)計為例，在連續(xù)工作模式下計算出各參數(shù)，具體為

VIN=3.3V±0.33V，VOUT=5V;

IOUT(MAX)=700mA,IP=1.48A;

L實際=3.3μH,LI=3.72μH;

CFF=100pF,CFB=100pF,CIN=33μF,

COUT=14μF～448μF,COUT（實際）=33μF;

R1=100kΩ,R2=33.2kΩ

DMAX=45.5％;

tON=0.5μs(SET=GND);

f=761kHz～800kHz(IOUT(MIN)=120mA)

3.3　典型應(yīng)用

MAX1524的典型應(yīng)用電路如圖2所示。

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