摘要：介紹了MAXIM公司生產(chǎn)的高壓PWM電源控制器MAX5003的功能特點(diǎn)及引腳排列，并以電信/數(shù)據(jù)通信電源設(shè)計(jì)為例，說明了MAX5003的外圍電路元器件的選擇方法。同時(shí)給出了一個(gè)基于MAX5003的48V到5V/1A的非隔離通訊電源的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：MAX5003 PWM控制器 通信電源

目前眾多的電信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)均采用48V的直流供電總線電壓，其原因除了源于傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡(luò)外，還因?yàn)椴捎眠@種量級(jí)的電壓在通過銅線對(duì)遠(yuǎn)端設(shè)備供電時(shí)具有足夠高的幅度，而且產(chǎn)生的線電流低、線損失?。煌瑫r(shí)這種電壓的幅度又足夠低，不會(huì)對(duì)人體造成電危險(xiǎn)。因此，這種電源廣泛應(yīng)用在小型交換機(jī)、電信（基站及局端）以及數(shù)據(jù)通信應(yīng)用設(shè)備中，如交換機(jī)、路由路和集線器等；然而，如何從中獲取電信/數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)所需其它規(guī)格的供電電壓呢？文中將對(duì)此問題予以討論并解決它。

1 通信電源的設(shè)計(jì)

在通信設(shè)備中的板卡上，多數(shù)器件需要低電壓電源來供電。解決這一問題的辦法通常是利用48V的高功率背板電源為機(jī)箱內(nèi)各種板卡供電，然后每個(gè)板卡再把48V的電源轉(zhuǎn)換成各自所需的各種規(guī)格的電壓。采用這種在每個(gè)板卡單獨(dú)進(jìn)行DC-DC變換的方案，可以在不必重新設(shè)計(jì)供電總線的前提下，很容易地插入更多的板卡擴(kuò)展系統(tǒng)；也可以在不影響整系統(tǒng)工作的前提下，很方便的在線更換故障板卡。

由于大多數(shù)板卡在90%的時(shí)間內(nèi)處于等待模式，因此保持輕載時(shí)的高效率十分必要，這就要求通信電源不僅要滿負(fù)荷時(shí)保證高效轉(zhuǎn)換，而且要求它在等待模式時(shí)消耗的電流較低。雖然供電電源背板電壓通常為48V，但所設(shè)計(jì)的板卡電源應(yīng)該能夠在36V到72V的寬輸入范圍內(nèi)可靠工作，同時(shí)應(yīng)能承受高達(dá)100V的瞬態(tài)電壓。

由于通信設(shè)備機(jī)箱內(nèi)插入的板卡較多，板間距較小，因此要求板卡電源轉(zhuǎn)換部分的元件要體積小、數(shù)目少；不僅要少占用電路板面積，而且還不能使散熱出現(xiàn)問題、MAXIM公司生產(chǎn)的高壓PWM電源控制器MAX5003可以滿足通信電源的設(shè)計(jì)要求。它具有封裝小巧，占用線路板空間小，輕載時(shí)效率高、系統(tǒng)熱耗散小等特點(diǎn)，而且輸入電壓最低可達(dá)25V，最高可達(dá)110V。

2 MAX5003的特點(diǎn)及功能

2.1 MAX5003的主要特點(diǎn)

MAX5003是一個(gè)靈活的高壓PWM開關(guān)電源控制器，它主要是為輸入電壓為25V～110V的應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)。其主要特性如下：

●輸入電壓范圍為11-110V，可直接工作于高壓下；

●具有電流限制的電壓控制電路，輕載時(shí)效率輸入瞬態(tài)響應(yīng)和噪聲抑制好；

●內(nèi)含可關(guān)斷的高壓?jiǎn)?dòng)電路，輕載時(shí)效率高，系統(tǒng)熱耗散小；

●具有可編程開關(guān)電流限制功能，便于選用外接低成本功率MOSFET；

●可選擇自由運(yùn)行或外部同步兩種方式，工作頻率可調(diào)節(jié)至300kHz，外接磁性元性和電容體積小，能簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)；

●具有軟啟動(dòng)、欠壓鎖定、開關(guān)頻率、最大占空比和過流保護(hù)閾值，可借助于外部較少的元件進(jìn)行編程設(shè)置；

●采用輸入前饋結(jié)構(gòu)，具有快速輸入瞬態(tài)響應(yīng)；

●具有2.5%的精度精密內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，電壓精確并穩(wěn)定；

●封裝小巧，占用線路板空間小。

MAX5003在啟動(dòng)時(shí)，其外接高壓經(jīng)過內(nèi)置的高壓?jiǎn)?dòng)FET晶體管和一個(gè)預(yù)置輸出的線性調(diào)節(jié)器給芯片供電；啟動(dòng)過程結(jié)束后，內(nèi)部FET晶體管被關(guān)閉，高壓輸入被切官兵，芯片轉(zhuǎn)為由外部較低電壓的自舉電源供電。因此，MAX5003僅在啟動(dòng)時(shí)從高壓電源吸取很小的uA級(jí)漏電流，靜態(tài)功耗很小，并且較好地解決啟動(dòng)問題；啟動(dòng)后，電路進(jìn)入正常工作模式，若外部自舉電源設(shè)置12V，則MAX5003典型的靜態(tài)電流為2mA，其消耗的靜態(tài)功耗也只有24mW。相反地，如果一直用高輸入電壓給電源控制器供電，就難以保證輕載時(shí)的高效率；如果始終從100V高壓電源獲得能量的話，MAX5003的消耗功率將高達(dá)200mW。

2.2 MAX5003的引腳排列

MAX5003具有16腳QSOP或窄SO封裝形式，其引腳排列如圖1所示，其各引腳功能說明如下。

V+：預(yù)調(diào)節(jié)輸入端。連接到高壓輸入端，一般在V+和地之間跨接入0.1uF的電容。

INDIV：欠壓檢測(cè)和前饋輸入端。將其連接到V+和AGND之間外部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的中點(diǎn)；當(dāng)VINDIV1.2V時(shí)，內(nèi)部欠壓鎖定電路啟動(dòng)并關(guān)閉MAX5003。

ES：內(nèi)部高壓?jiǎn)?dòng)FET預(yù)調(diào)節(jié)輸出端。當(dāng)V+高于36V時(shí)，在ES和地之間跨接0.1uF的電容；如果工作電壓較低（小于36V），則需要把V+和ES端直接連接，此時(shí)外部輸入電壓被限制在11-36V范圍內(nèi)。

FREQ：內(nèi)部振蕩頻率調(diào)節(jié)或外部同步信號(hào)輸入端。內(nèi)部為自動(dòng)運(yùn)行模式工作時(shí)，在FREQ和AGND之間連接的電阻大小用于設(shè)置PWM的頻率；外同步模式工作時(shí)，在該端連接一個(gè)4倍頻于期望頻率的方波信號(hào)。

SS：軟啟動(dòng)電容連接端。

REF：3V參考電壓輸出端。在REF和AGND之間跨接0.1uF的電容。

CON：芯片內(nèi)部PWM比較器的控制輸入端。

COMP：補(bǔ)償連接端。其內(nèi)部連接到誤差放大器的輸出，用于系統(tǒng)補(bǔ)償。

FB：反饋輸入端。內(nèi)部預(yù)調(diào)節(jié)到VFB=VREF/2=1.5V。

MAXTON：最大導(dǎo)通時(shí)間的編程控制端。MAXTON和AGND之間連接的電阻用于設(shè)置PWM的增益和占空比限值，它的最大導(dǎo)通時(shí)間正比于編程電阻值。

AGND、PGND：分別為模擬地和電源地，一般連接在一起共地。

CS：帶鎖定控制的電流檢測(cè)端。如果CS與PGND之間的電壓超過100mV，則開關(guān)電源關(guān)閉。一般在CS和電流檢測(cè)電阻之間連接一個(gè)100的電阻（見圖2）；該端如果不用，將其連接到PGND端。

DNRV：外接N溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵極驅(qū)動(dòng)端。

Vcc：芯片內(nèi)部電路供電電源的公共去耦點(diǎn)。一般在Vcc和PGND之間連接一個(gè)10uF左右的電容。

VDD：芯片供電電源輸入端。啟動(dòng)時(shí)，由加在V+或ES端的高壓經(jīng)內(nèi)部線性調(diào)節(jié)器輸出9.75V的電壓連接到VDD端供電；啟動(dòng)結(jié)束后，使用外部產(chǎn)生的高于10.75低于19V的自舉電源連接到VDD端給芯片供電。一般在VDD和AGND之間連接一個(gè)5uF-10uF的電容。

3 基于48V-5V/1A電源設(shè)計(jì)

圖2是由MAX5003組成的48V-5V/1A非隔離電源的電路原理圖，電路的設(shè)計(jì)步驟和外接元器件的選擇方法如下。

●明確設(shè)計(jì)要求，確定設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)主要有以下五個(gè)：輸入電壓VIN的變化范圍、輸出電壓VOUT、輸出負(fù)載電流IOUT、紋波VRIP及建立時(shí)間TJ。圖2電路中的輸入電壓范圍為36VVIN72V，要求輸出電壓VOUT=5V，輸出電流IOUT=1A,紋波VRIP50mV，建立時(shí)間TJ≈0.5ms。

●對(duì)于自由運(yùn)行模式，應(yīng)認(rèn)真選擇FREQ引腳的外部電阻R3；而在外同步模式，則需要確定外部時(shí)鐘頻率fCLK。

一般來講，使用較高的頻率意味著外接較小尺寸的變壓器，也可以提供較高的系統(tǒng)帶寬和更快的建立時(shí)間，這樣做的缺點(diǎn)是會(huì)損失一定的效率。本例中選擇的是自由運(yùn)行模式，且設(shè)定內(nèi)部振蕩頻率fSW=300kHz，以便減少變壓器尺寸。外部電阻R3可用下式算出：

R3=100kHz×200kΩ/fSW=66.7kΩ

●確定變壓器匝數(shù)比，檢查最大占空比

確定負(fù)載線圈匝數(shù)比考慮的主要因素是開關(guān)關(guān)斷電壓和占空比，這需要在降低變壓器初級(jí)繞組峰值電流和降低初級(jí)電壓之間折衷考慮。負(fù)載線圈匝數(shù)比選擇的一個(gè)良好起點(diǎn)是使共近似等于平均電壓比VIN/VOUT，同時(shí)為簡(jiǎn)化補(bǔ)償，還應(yīng)盡量避免出現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)通工作狀態(tài)，因此，應(yīng)選取比VIN/VOUT稍小一點(diǎn)的值。

基于以上考慮，本例中VIN/VOUT=48/5≈9，負(fù)載線圈匝數(shù)比選擇為N1=8。最大占空比KMAX由匝數(shù)比N1、最小電源電壓VMIN、變壓器次級(jí)電壓VSEC決定。本例中的VMIN=36V；對(duì)于VSEC，考慮到次級(jí)所連接的肖特其二極管的壓降，若取VSEC=5.4V，則KMAX約為55%.也就是說，當(dāng)占空比達(dá)到55%時(shí)將出現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，這對(duì)于MAX5003來講是一個(gè)適當(dāng)?shù)闹?。若?jì)算出來的最大占空比KMAX超過64%或低于45%，則需要新調(diào)整匝數(shù)比N1的大小。變壓器的另一個(gè)次級(jí)線圈要用來產(chǎn)生芯片的自舉供電電壓，一般選取12V左右，次級(jí)最大電流為20mA。此例中初級(jí)電壓為48V，應(yīng)選取自舉電源線圈的匝數(shù)比N2=48/12=4：1。

●確定變壓器的初級(jí)電感

如果我們假定變壓器的頻率η=80%，則系統(tǒng)要求具有的輸入功率PIN為6.25W。假定工作占空比K低于最大占空比12%，則K應(yīng)43%，由此可以計(jì)算出額定初級(jí)電感是L1為64μH。

●選擇MAXTON端的編程電阻R4和欠壓鎖定分壓電阻R1、R2

本電路中的最小供電電壓VMIN為36V，假設(shè)欠壓鎖定值VUVL=32V，則所需的R4電阻值為55kΩ，實(shí)際選取標(biāo)稱值為51kΩ的電阻。

當(dāng)輸入電壓低于VUVL（32V）時(shí)，應(yīng)使相應(yīng)INDIV端的電壓低于1.2V，以使欠壓鎖定電路啟動(dòng)而關(guān)閉MAX5003，故R1和R2的選擇應(yīng)滿足下式：

R2/（R1+R2）×VUVL=1.2V

同時(shí)應(yīng)考慮具有較小的漏電流，因而選取R1=1MΩ，R2=39kΩ。

●選擇濾波電容

由于電阻對(duì)紋波的計(jì)算影響較小，因此應(yīng)主要考慮電容量的大小。如果紋波電壓VRIP=50mV。則用兩只22μF的陶瓷濾波電容并聯(lián)（44μF），即可在55%占空比時(shí)獲得低于50mV的紋波。

●確定補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)RF、CF串聯(lián)跨接于引腳FB和COMP端，RA和RB的分壓可用來確定芯片內(nèi)部補(bǔ)償放大器反向輸入FB端的電壓VFB，一般將其設(shè)置為VFB=1.5V，同時(shí)選擇RA、RB應(yīng)盡量減少漏電流。RF則用于確定補(bǔ)償反饋放大器的中頻增益G，G的大小近似等于RF/RA，CF則可使增益發(fā)生驟降。本例中選取中頻增益G=5，假定過零頻率fZ設(shè)置在2kHz。實(shí)際則應(yīng)選取RA=39kΩ,RB=18kΩ，RF=200kΩ，CF=390pF。

4 結(jié)束語

利用高壓PWM電源控制器MAX5003設(shè)計(jì)的48V輸入，+5V/1A輸出的開關(guān)電源，具有體積小、效率高、外圍器件少、參數(shù)設(shè)置靈活、成本和功耗均比較低等特點(diǎn)，因而具有較好的作性能。