摘要：本應(yīng)用筆記介紹了MAX5072 DC-DC變換器―專(zhuān)為解決ADSL2+調(diào)制解調(diào)器的電源管理問(wèn)題而設(shè)計(jì)的器件。還提供了有關(guān)升壓、降壓或升-降壓變換器的設(shè)計(jì)指南，并給出了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的電路原理圖和主要元件的型號(hào)。本文還簡(jiǎn)要介紹了ADSL2和ADSL2+標(biāo)準(zhǔn)。

過(guò)去幾年來(lái)，ADSL標(biāo)準(zhǔn)沿著ADSL、ADSL2、ADSL2+以及“Extended Reach ADSL2”逐步演進(jìn)，數(shù)據(jù)傳輸率增加到24Mbps，傳輸距離長(zhǎng)達(dá)22000英尺。ADSL2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下行頻段上至1.1MHz，而ADSL2+為2.2MHz，使較短電話(huà)線(xiàn)上的數(shù)據(jù)傳輸率顯著提升。圖1和圖2給出了不同標(biāo)準(zhǔn)所覆蓋的帶寬、數(shù)據(jù)速率和距離。當(dāng)同一線(xiàn)束中傳輸多條ADSL業(yè)務(wù)時(shí)，ADSL2+也可用于降低串?dāng)_。


圖1. ADSL2和ADSL2+用于傳輸數(shù)據(jù)的帶寬


圖2. ADSL, ADSL2和ADSL2+的數(shù)據(jù)速率和傳輸距離

如圖1中所示，上行方向使用的頻段為25kHz到138kHz，下行方向?yàn)?38kHz到2.2MHz。這一頻譜被分割成幾個(gè)載波頻帶，每個(gè)頻帶分配了一定的比特量。每個(gè)載波頻帶的比特量取決于信噪比(SNR)。

電源的開(kāi)關(guān)頻率對(duì)噪聲基底有較大的影響，從而降低總比特率。在下行頻帶延伸至2.2MHz的ADSL2+中，我們需要控制所有電源的開(kāi)關(guān)頻率及其諧波，使其避開(kāi)138kHz到2.2MHz頻帶。紋波的幅度和頻率會(huì)同樣地影響每個(gè)載波波段所能承載的比特量。2.2MHz的電源開(kāi)關(guān)頻率有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它的基波和諧波都在ADSL2+頻譜之上，第二，較高的開(kāi)關(guān)頻率降低了輸出紋波的峰-峰值，即便使用低成本的陶瓷電容或鋁電解電容也沒(méi)有問(wèn)題。

MAX5072針對(duì)ADSL2+的電源管理解決方案

MAX5072專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于ADSL2+調(diào)制解調(diào)器的電源管理。其目標(biāo)是提供一個(gè)簡(jiǎn)潔、低成本的變換器，運(yùn)行在ADSL2+頻帶之上，并能通過(guò)廉價(jià)的AC適配器來(lái)供電。它是一個(gè)雙輸出型DC-DC變換器，內(nèi)部集成了高端N溝道功率MOSFET，每個(gè)變換器能工作在2.2MHz。


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圖3. MAX5072雙輸出型降壓變換器的開(kāi)關(guān)頻率在ADSL2+頻帶之上。2.2MHz的開(kāi)關(guān)頻率和高集成度為各類(lèi)DSL應(yīng)用(ADSL/VDSL)提供了一個(gè)嘴低成本、最高帶寬的方案。


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圖4. MAX5072雙輸出型降壓和升壓變換器的輸出電壓在輸入電壓范圍的中間。降壓變換器1的輸出為變換器2 (升壓)供電。3.3V為芯片組提供電源，12V為線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器提供電源。

雖然單個(gè)變換器的輸出紋波頻率為2.2MHz，但每個(gè)變換器處于180°反相工作狀態(tài)，使輸入電容上的紋波頻率加倍。這樣一來(lái)減小了電容RMS電流和電容尺寸。圖5和圖6給出了雙路輸出DC-DC變換器的開(kāi)關(guān)波形。


圖5. 雙路降壓型變換器的開(kāi)關(guān)波形―輸入紋波。單個(gè)變換器的開(kāi)關(guān)頻率為2.2MHz，但輸入電容上的紋波頻率為4.4MHz。
CH1 = SOURCE2, CH2 = SOURCE1, CH3 = 輸入電容上的紋波, CH4 = CLKOUT


圖6. 雙降壓型變換器的開(kāi)關(guān)波形――輸出紋波。輸出電容上的紋波頻率為2.2MHz，與變換器的開(kāi)關(guān)頻率相同。CH1 = SYNC, CH2 = SOURCE1, CH3 = 輸出1上的紋波, CH4 = CLKOUT

輸入/輸出電壓

MAX5072的輸入電壓范圍為4.5V至5.5V或5.5V至23V。用于為ADSL芯片組供電的電壓包括1.2V, 1.8V, 2.5V和3.3V, 另外還有為線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器供電的5V或12V電壓。MAX5072的兩個(gè)變換器都可以配置成降壓或升壓變換器。這使MAX5072能夠用于各種可能的電壓變換。可利用表1來(lái)選擇合適的電源管理方案。

表1. 電壓變換方案

Configuration	Input-Voltage Range (V)	Converter-1 (VOUT1 /IOUT1)	Converter-2 (VOUT2 /IOUT2)
Dual buck	4.5 to 5.5 (5V system input)	1.2V/1.8V/2.5V/3.3V up to 2A	3.3V up to 1A
	5.5 to 7 with transients up to 23V (6V AC adapter)	1.2V/1.8V/2.5V/3.3V up to 2A	3.3V up to 1A
	7 to 12 with transients up to 23V (9V AC adapter)	2.5V/3.3V up to 1.5A	1.2V up to 1A (VOUT1 feeds Converter-2)
	7 to 12 with Transients Up to 23V (9V AC adapter)	2.5V/3.3V up to 2A	5V up to 1A
	11 to 16	3.3V up to 1.4A	1.2V up to 1A (VOUT1 feeds Converter-2)
	11 to 16	3.3V up to 1A	5V up to 0.4A (VOUT1 Feeds Converter-2)
Buck-boost (Converter-1 buck, Converter-2 boost)	4.5 to 5.5 (5V system input)	3.3V up to 1A	5V up to 0.4A (VOUT1 Feeds Converter-2)
	4.5 to 5.5 (5V system input)	3.3V up to 1A	12V up to 0.4A (12V line driver)
	7 to 12 with transients Up to 23V (9V AC adapter)	3.3V up to 1A	12V up to 0.2A (VOUT1 feeds Converter-2)
	11 to 16	3.3V up to 1A	12 up to 0.2A (VOUT1 feeds Converter-2)

當(dāng)輸入輸出壓差較大時(shí)，要求電路以非常低的占空比運(yùn)行。2.2MHz開(kāi)關(guān)頻率下的低占空比意味著非常短的最小可控導(dǎo)通時(shí)間。MAX5072的最小可控導(dǎo)通時(shí)間(tON-MIN)約為100ns。用下面的公式可計(jì)算出對(duì)于給定的輸出電壓，在沒(méi)有發(fā)生跳脈沖的情況下所允許的最大輸入電壓(VIN-MAX)。



其中VD是肖特基整流管的正向壓降(典型0.35V值)，fSW為變換器的開(kāi)關(guān)頻率, tON-MIN為100ns。

同樣，最大占空比限制(DMAX)影響著對(duì)于給定的輸出電壓，所允許的最小輸入電壓。用下面的公式可計(jì)算出為了獲得要求的輸出電壓VOUT，降壓轉(zhuǎn)換器所需的最小輸入電壓(VIN-MIN)。



其中，DMAX至少為84%，VD為0.35V。

升壓變換器所允許的最小輸入電壓取決于輸出電壓、峰值電流和電感值。

為了緩解最小導(dǎo)通時(shí)間問(wèn)題或限制開(kāi)關(guān)損耗，可以降低開(kāi)關(guān)頻率。但兩個(gè)工作在反相狀態(tài)的變換器頻率不可能不同。同時(shí)，如果沒(méi)有精心選擇單個(gè)變換器的工作頻率，將可能出現(xiàn)拍頻。為了避免最小導(dǎo)通時(shí)間問(wèn)題和功率消耗問(wèn)題，MAX5072提供了一個(gè)頻率選擇(FSEL1)管腳。FSEL1接地時(shí)變換器1的開(kāi)關(guān)頻率減小到變換器2開(kāi)關(guān)頻率的一半，或內(nèi)部振蕩器頻率的四分之一。在這種情況下，變換器1工作在1.1MHz，變換器2工作在2.2MHz。輸入電容上的紋波頻率將會(huì)是變換器2開(kāi)關(guān)頻率的1.5倍，并且紋波波形不對(duì)稱(chēng)。

MAX5072為多DSL芯片組提供的功能

1. 上電復(fù)位(/RESET\)―/RST\是開(kāi)漏極輸出，當(dāng)任何一路輸出電壓低于額定穩(wěn)定電壓的92.5%時(shí)，它被拉低。若兩組輸出均已超過(guò)其額定穩(wěn)定電壓的92.5%，且兩個(gè)變換器都已完成軟啟動(dòng)過(guò)程，/RST\會(huì)在延時(shí)180ms后進(jìn)入高阻態(tài)。
   
   
   圖7. RESET延時(shí)。復(fù)位延時(shí)在內(nèi)部設(shè)置為140ms固定值。在兩路輸出均達(dá)到穩(wěn)定并延時(shí)140ms之后，RESET變?yōu)楦唠娖健?
   CH1 = VOUT1, CH2 = VOUT2, CH3 = RESET, CH4 = Enable
   
   
2. 掉電檢測(cè)(PFI/PFO)―在調(diào)制解調(diào)器掉電之前，有些重要功能需要進(jìn)行必要的善后處理。完成這些功能所需的時(shí)間稱(chēng)為保持時(shí)間。在VIN斷開(kāi)后，輸入電容器上存有的電荷為變換器提供能量。保持時(shí)間(tHOLD)定義為：從輸入電壓降至低于VTRIP開(kāi)始，到輸入電壓下降到下限(VINMIN)，以致輸出電壓脫離穩(wěn)壓范圍之間的時(shí)間。用下面的公式可計(jì)算出要獲得足夠的保持時(shí)間，所需的電阻分壓器和CIN。
   
   
   
   其中η1和η2 (典型值80%)分別為變換器1和變換器2的效率。
   
   
3. 手動(dòng)復(fù)位(/MR\)―基于微處理器的產(chǎn)品通常需要手動(dòng)復(fù)位功能，從而允許操作者或外部邏輯電路對(duì)其進(jìn)行復(fù)位。/MR\上的邏輯低電平可觸發(fā)復(fù)位。當(dāng)/MR\為低時(shí)復(fù)位信號(hào)將保持有效，并在/MR\返回高電平后繼續(xù)保持一個(gè)復(fù)位延時(shí)時(shí)間(tRP)。

圖8. 手動(dòng)復(fù)位(/MR\)波形。/MR\內(nèi)含去抖電路，簡(jiǎn)化了外部/MR\電路。CH1 = /MR\, CH2 = RESET, CH3 = VOUT1, CH4 = VOUT2

以下是為幾種不同的xDSL調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)的電路。


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圖9. xDSL電源管理方案。輸入： 9V至12V。輸出: VOUT1 = 5V/550mA (最大1A), VOUT2 = 1.2V/550mA (最大1A)。輸出1為輸出2變換器提供電源。每個(gè)變換器的開(kāi)關(guān)頻率為2.2MHz。


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圖10. 多DSL (VDSL/ADSL)電源管理。輸入：5.5V至7V, 輸出: VOUT1 = 1.2V/1.5A, VOUT2 = 1.8V/1A, VOUT3 = 3.3V/1A, VOUT4 = 12.8V/200mA。每個(gè)變換器的開(kāi)關(guān)頻率為2.2MHz，組合開(kāi)關(guān)頻率相當(dāng)于8.8MHz。開(kāi)關(guān)頻率與系統(tǒng)時(shí)鐘同步。

高頻開(kāi)關(guān)電源變換器設(shè)計(jì)具有其復(fù)雜性，要求具備專(zhuān)業(yè)知識(shí)并需投入一定的設(shè)計(jì)精力。而使用高頻開(kāi)關(guān)帶來(lái)了帶寬的提升。文中給出的設(shè)計(jì)方案已在工作臺(tái)上測(cè)試通過(guò)，可直接使用或作為一項(xiàng)新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。