本文介紹如何使用MAX17501和MAX17502同步降壓轉換器從正輸入電壓產生負輸出電壓。

介紹

可編程邏輯控制器、I/O 模塊、質量流量控制器等工業(yè)控制設備以及各種其他傳感器和支持系統(tǒng)使用在負電源電壓下工作的放大器和多路復用器等模擬組件。這些電壓通常在 ±12V、±18V 或其他變體下工作，由 24V 直流母線產生。Maxim的高壓同步降壓穩(wěn)壓器產品組合可將功耗降低50%，使客戶將設備運行溫度降低50%。在本應用筆記中，我們將討論使用這些同步降壓穩(wěn)壓器產生負電壓的技術。

設計注意事項

同步降壓轉換器可配置為在降壓-升壓拓撲中工作，以從正輸入電壓產生負輸出電壓。本應用筆記解釋了MAX17501和MAX17502同步降壓轉換器如何利用正輸入電壓產生負輸出電壓。-15V輸出電壓應用用于演示原理。

表 1.負輸出電壓電源要求

工作輸入電壓范圍

負輸出應用的最大工作輸入電壓與輸出電壓絕對值之和不應超過MAX60和MAX17501的最大工作電壓（17502V），下式表示：

VIN_MAX + |VOUT| < 60V

因此，對于-15V輸出電壓，最大工作輸入電壓可高達45V。負輸出電壓應用的最小工作輸入電壓應大于4.5V。

計算占空比

負輸出電源占空比的表達式如下所示;忽略與電源開關和電感直流電阻相關的損耗：

對于上面列出的規(guī)格，占空比在0V輸入電壓時為45.18，在0V輸入電壓時為33.30。在24V的標稱輸入電壓下，占空比為0.38。請注意，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） 發(fā)生在最大工作輸入電壓 （VIN_MAX).

負載電流能力和部件號選擇

負輸出電壓設計要求與MAX17501和MAX17502具有內部補償的版本不兼容，因此，僅考慮MAX17501和MAX17502的G和H版本，以構建負輸出電壓應用。

為了估計MAX17501和MAX17502是否能夠提供所需的輸出電流，應首先根據下式計算最大電感平均電流的值：

假設MAX17501和MAX17502的IL_MAX分別為550mA和1.2A，以便為輸出電容充電電流留出一定的空間。假設MAX17501的最大電感紋波（ΔIL）為250mA，MAX17502為500mA，則兩款器件的最大值為IL_AVG：

IL_AVG = 425mA for the MAX17501
IL_AVG = 950mA for the MAX17502

MAX17501和MAX17502支持的最大負載電流由下式表示：

IOUT_MAX = IL_AVG × (1 - DMAX)

由于 D.MAX對于此處針對的規(guī)格，為 0.45，IOUT_MAX計算公式為MAX234為17501mA，MAX522為17502mA。因此，本應用選擇MAX17502G。建議在目標 I 時使用 MAX17501 進行設計外小于MAX17501允許的最大負載電流。

啟動電壓

當用作降壓轉換器時，MAX17501和MAX17502的導通/關斷電壓可通過與V相連的電阻分壓器進行調節(jié)。在引腳到接地。當用作負輸出電壓電源時，電阻分壓器只能設置啟動電壓。當器件導通時，器件經歷的有效輸入電壓隨著輸出電壓累積至全調節(jié)電壓而增加。輸入電壓必須下降輸出電壓的絕對值才能關斷器件。

應用信息

電感器選擇
根據紋波電流要求，電感的最小值由下式計算：

開關頻率（fSW）為MAX600G和MAX17501G部分為17502kHz，MAX300H和MAX17501H為17502kHz。假設電感紋波最大（ΔIL） MAX500為17502mA，L最低對于表27中提到的規(guī)格，結果為1μH。

斜率補償要求對電感值施加以下限制：

其中 x = 4 表示 MAX17502G，x = 8 表示 MAX17501G 和 MAX17502H，x = 16 表示 MAX17501H。

僅當最大占空比大于 0.25 時，上述約束才有效。由于MAX17502G被選用于本應用，因此電感值應為27μH至160μH，符合表1所示的規(guī)格。本應用使用了33μH電感器。

確保所選電感的飽和電流大于MAX17501和MAX17502的峰值電流限值。

輸入電容選擇
輸入電容的最小值表示如下：

電感紋波 （ΔIL）中的公式應根據為應用選擇的實際電感值計算：

其中 LSEL是所選電感。對于表1中提到的規(guī)格，CIN_MIN原來是0.36μF。本設計采用了采用2封裝的2.1206μF電容。在 1V 輸入電壓下，電容降額至約 3.24μF。

輸出電容選擇
輸出電容的最小要求值由下式計算：

對于表1中提到的規(guī)格，COUT_MIN原來是2.5μF。本設計采用了采用4封裝的7.1206μF電容。在 2V 輸出電壓下，電容降額至約 5.15μF。

調整輸出電壓
使用從電感接地端子連接到V的電阻分壓器設置輸出電壓外.將分頻器的中心節(jié)點連接到FB/VO引腳。選擇電阻R4和R5的值，如下所示：

其中 R4 和 R5 以 kΩ 為單位。為本應用選擇的R4和R5值分別為243kΩ和15.4kΩ。

設置輸入導通電壓 設置MAX17501和MAX17502導通的輸入電壓，電阻分壓器連接自V。在到 V外（見圖1）。將分壓器的中心節(jié)點連接到 EN/UVLO 引腳。選擇 R1 為 3.3MΩ，然后將 R2 計算為：

其中VINU是MAX17501和MAX17502導通所需的輸入電壓。為R261選擇2kΩ值可使器件在16.6V輸入電壓下導通。

外部環(huán)路補償
補償分量R3和C5的計算方法如下：

其中 k = 1 表示 MAX17502，k = 2 表示 MAX17501。

C5 的值應按如下方式計算：

使用輸出電容器（COUT）的直流電壓降額值，同時計算R3和C5的值。直流電壓降額曲線可從所有主要電容器供應商處獲得。使用輸出電容的降額值（2.5μF），R3的值為7.8kΩ。選擇7.5kΩ的R3，C5的值為6800pF。

軟啟動電容器選擇
MAX17501和MAX17502實現可調軟啟動操作，以降低浪涌電流。從SS引腳連接到VOUT的電容器負責設置軟啟動周期。軟啟動時間（tSS）與SS（CSS）連接的電容器有關，公式如下：

CSS = 5.55 × tSS

其中 tSS 以毫秒為單位，CSS 以納法為單位。例如，要設置1.2ms軟啟動時間，應從SS引腳連接到VOUT連接一個6800pF電容。

設計

原理圖 1.設計原理圖。

物料清單

表 2.物料清單

實驗結果

負輸出電源的效率

輸出電壓的負載和線路調節(jié)

輸出電壓的軟啟動/關斷

開關波形

負載瞬態(tài)波形

波特圖

評估板布局

圖 13.元件側 PCB 布局。

圖 14.焊接側 PCB 布局。

圖 15.元件放置指南。

圖 16.頂部阻焊層.

圖 17.底部阻焊層。

審核編輯：郭婷