包含12V Buck转换器的低成本PoE用电设备完整方案

       MAX5953A为以太网供电系统(PoE)的用电设备(PD)提供简单、低成本、完备的非隔离电源解决方案。图1电路为完备的PD供电电路，具有一个DC/DC转换器，输出12V电压时可提供高达0.85A的电流。

       MAX5953A内置高边、低边功率开关FET，低边FET不能配置为同步整流二极管。因此，Buck转换器仅使用高边FET。因为IC内部的限流电路工作时利用低边FET电流产生的压降，该电路不具备自动电流限制功能。启动时，保险丝F1提供短路保护。

       MAX5953具有如下特性：

       1. TVS二极管D1用于抑制瞬间尖峰电压和反向电压。

       2. 该电路根据输入电压不同工作在三种模式：PD侦测模式、PD分级模式和PD供电模式。使用或没有使用二极管电桥情况下的电压门限都符合IEEE 802.3af标准。

       a. 在PD侦测模式下，供电设备(PSE)在VIN施加两个1.4~10.1V、最小步长为1V的电压，并记录这两点对应的电流测量值。PSE随后计算V/I，确认25.5k的特征电阻R1是否存在。此模式下，MAX5953A的绝大部分内部电路是关断的，且偏置电流低于10μA。

       b. 在分级模式下，PSE根据PD的功耗要求对PD进行分级。电阻R2(255)通知PSE，PD将在最大功率为6.49~12.95W的三级模式下工作。当电源进入供电模式时，分级电流关断。

       c. 当VIN上升到38V UVLO门限电压以上时，MAX5953A进入供电模式并逐渐打开内部MOSFET，抑制浪涌电流。

       3. 完成开启过程，且VOUT-VEE=1.23V时，PGOOD进入漏极开路模式。软启动电容C15由内部33μA的上拉电流充电，给DC/DC转换器提供软启动。通过设定分压电阻R6/R7和1.33V的DCUVLO的电压门限，DC/DC转换器在达到VOUT=-30V(相对于V+)以前没有开始工作。

       4. 因为三级功率限制最大功率为12.95W，当输出电压为12V、电源转换效率为80%时，负载电流限制在0.85A。

       热插拔电路说明

       UVLO的默认启动电压为38.6V，默认关断电压约为30V。利用V+和VEE间的分压电阻(中心抽头接在UVLO)可以将UVLO的启动、关断电压设置在12~67V之间的任意值。

       达到UVLO门限电压时，以10μA电流给FET栅极充电，内置FET将缓慢导通。缓慢的导通过程使100μF电容C6的充电电流最小。该电路中，OUT的热拔插输出电压以大约910mV/ms的速率下降，电压作用到输入端大约8ms后开始下降(见图2)。

       PWM电路说明

       DC/DC转换器是典型的Buck转换器，使用内部高边FET和外部肖特基同步整流二极管。输入电压范围为30V(由DCUVLO的分压电阻设置)至60V，该范围对应的降压比为2.5:1(最小)至5:1(最大)，对应的占空比为20%~40%。开关频率由R4、C4设定为532kHz，以提供最小420ns的导通脉冲宽度，保持低开关损耗。

      软启动过程包括一下操作时序：限制OPTO反馈电压使其不要比CSS端电压高出1.45V，由内部33μA电流源给CSS端电容充电。PGOOD将CSS初始电压箝位至GND，而当OUT与VEE之间的差值小于1.2V时，热拔插功能完成，PGOOD释放。该过程允许启动时反馈信号缓慢上升，缓慢增大占空比可以避免输出过冲。启动时OPTO引脚的上升斜率体现了软启动特性(如图3所示)，当VOPTO电压约为2V时，斜坡电压处于正常工作状态。图4所示为重载时的情况，图5所示为轻载时的工作情况。

      启动时的输出电压过冲

      477nF的软启动电容(CSS)将过冲电压降至1%甚至更低，如图6所示。较小的CSS电容能够在一定程度上控制上电过程出现的输出电压过冲，如图7所示，当CSS=100nF时，电压过冲达到7.7%。更小的CSS可加速启动过程，但却增大了上电时的输出电压过冲。

      电流限制

      虽然MAX5953内部集成有高边和低边FET，但低边FET只用于正激或反激电路中的变压器耦合隔离。高边、低边FET同时导通，电流检测通过检测低边FET的压降实现。因为没有使用低边FET，本电路没有电流检测功能。发生短路时，利用保险丝保护MAX5953和其内部调整管FET不受损坏。然而，一旦DC/DC转换器启动，保险丝的输出短路保护作用将很有限，因为保险丝的热迟滞可能导致通道上的器件损坏。

 

 

 

      负载瞬变

      图8所示的负载瞬变情况发生在从1/2到满负荷的负载突变。在输出端接一个固定400mA的负载，并联一个400mA脉冲负载。如果负载从0mA跳至400mA时，负载电压在瞬间发生剧大变化(见图9)；而图8所示情况负载电压突变较低，当负载电流高于50mA时几乎与直流负载无关。

      转换效率

      转换效率介于负载电流为250mA时的71%至负载电流为1A时的80.5%。图10显示了当850mA满负荷电流时，转换效率将大于80%。

 

 

     环路稳定性

     电压模式控制环路存在两个极点：4.1kHz LCOUT(L1、C9)谐振频率，和一个由于COUT的低ESR产生的高于4MHz的零点。使用3类环路补偿可使单位增益带宽高于LCOUT的谐振频率。两个零点设置为2.1kHz(R9、C14)和4.1kHz(R11、C15)，补偿LCOUT的两个谐振极点，两极点置于20kHz(R9、C13)和125kHz(R10、C15)。从图11控制环路波特图可以看出，单位增益频率为19.4kHz，相位裕量为59°。

     应用范围

     这个简单的降压转换器非常适合PD应用，低成本的非变压器耦合结构，唯一的不足是短路情况下有可能出现保护失效。

 

 

 

 
 
 

本文来源：美信集成产品公司    作者：

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