MAX13256：36V H橋變壓器驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，隔離電源的設(shè)計(jì)一直是一個(gè)關(guān)鍵且具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。今天，我們要深入探討的是Analog Devices公司的MAX13256，一款專為隔離電源設(shè)計(jì)的36V H橋變壓器驅(qū)動(dòng)器。它為高達(dá)10W的隔離電源提供了簡(jiǎn)單而靈活的解決方案，下面我們就來(lái)詳細(xì)了解一下它的特點(diǎn)、性能以及應(yīng)用。

文件下載：MAX13256.pdf

一、產(chǎn)品概述

MAX13256 H橋變壓器驅(qū)動(dòng)器能夠從8V至36V的寬直流電源中為變壓器的初級(jí)線圈提供高達(dá)300mA的電流，從而實(shí)現(xiàn)隔離電源的設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)整變壓器的次級(jí)與初級(jí)繞組比，可以選擇幾乎任何隔離輸出電壓，具有很高的靈活性。

（一）主要特性

1. 簡(jiǎn)單靈活的設(shè)計(jì)：支持8V至36V的寬電源范圍，效率高達(dá)90%，可為變壓器提供高達(dá)10W的功率。
2. 集成保護(hù)功能：具備欠壓鎖定、可調(diào)節(jié)過(guò)流閾值、故障檢測(cè)與指示、過(guò)流限制和過(guò)溫保護(hù)等功能，確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
3. 時(shí)鐘源選擇：可使用內(nèi)部振蕩器或外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部電路保證固定的50%占空比，防止直流電流通過(guò)變壓器。
4. 節(jié)省空間：采用小型10引腳（3mm x 3mm）TDFN封裝，適用于對(duì)空間要求較高的應(yīng)用。

（二）典型應(yīng)用

MAX13256的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，包括功率計(jì)、隔離現(xiàn)場(chǎng)總線接口、24V PLC電源隔離、醫(yī)療設(shè)備和電機(jī)控制等領(lǐng)域。

二、電氣特性與性能

（一）絕對(duì)最大額定值

在使用MAX13256時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值，如VDD和FAULT引腳的電壓范圍為 -0.3V至 +40V，ST1和ST2引腳的電壓范圍為 -0.3V至 (VDD + 0.3V) 等。超過(guò)這些額定值可能會(huì)對(duì)器件造成永久性損壞。

（二）電氣參數(shù)

1. 直流特性：電源電壓范圍為8V至36V，在不同條件下的電源電流和禁用電源電流也有明確的參數(shù)。例如，在VDD = 8V至36V，VEN = 0V，TA = -40oC至 +125oC的條件下，典型的電源電流為6mA，禁用電源電流為0.65mA。
2. 邏輯信號(hào)特性：輸入邏輯高電壓為2V，輸入邏輯低電壓為0.8V，F(xiàn)AULT輸出邏輯低電壓在IFAULT = 10mA時(shí)不超過(guò)1V。
3. 交流特性：開關(guān)頻率在內(nèi)部振蕩器模式下為255kHz至700kHz，CLK輸入頻率在外部時(shí)鐘模式下為200kHz至2000kHz，ST1/ST2的占空比為49%至51%。

（三）典型工作特性

通過(guò)典型工作特性曲線，我們可以了解到MAX13256在不同條件下的性能表現(xiàn)。例如，電源電流與外部時(shí)鐘頻率的關(guān)系、ST1/ST2開關(guān)頻率與溫度的關(guān)系、電流限制閾值與電阻的關(guān)系等。這些特性曲線對(duì)于工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和性能評(píng)估非常有幫助。

三、引腳配置與功能

（一）引腳配置

MAX13256采用10引腳TDFN封裝，各引腳的功能如下：

1. VDD：電源引腳，需使用1μF電容盡可能靠近器件旁路到地。
2. CLK：時(shí)鐘輸入引腳，連接到GND可啟用內(nèi)部時(shí)鐘，施加時(shí)鐘信號(hào)可啟用外部時(shí)鐘。
3. EN：使能輸入引腳，低電平使能器件，高電平禁用器件。
4. ITH：過(guò)流閾值調(diào)整輸入引腳，通過(guò)連接電阻（RLIM）到GND來(lái)設(shè)置ST1和ST2輸出的過(guò)流閾值。
5. FAULT：故障開漏輸出引腳，在過(guò)溫或過(guò)流條件下晶體管導(dǎo)通。
6. ST1和ST2：變壓器驅(qū)動(dòng)輸出引腳。
7. GND：接地引腳。
8. EP：暴露焊盤，內(nèi)部連接到GND，連接到大面積接地平面可提高散熱性能。

（二）功能框圖

從功能框圖可以看出，MAX13256內(nèi)部包含振蕩器、保護(hù)電路和內(nèi)部MOSFET等模塊。內(nèi)部振蕩器或外部時(shí)鐘為H橋提供開關(guān)信號(hào)，內(nèi)部觸發(fā)器保證50%的占空比，防止變壓器中出現(xiàn)直流電流。同時(shí)，還具備欠壓鎖定、過(guò)流限制和熱關(guān)斷等保護(hù)功能。

四、工作模式與保護(hù)機(jī)制

（一）時(shí)鐘源選擇

1. 內(nèi)部振蕩器模式：當(dāng)CLK引腳檢測(cè)到看門狗超時(shí)，內(nèi)部振蕩器驅(qū)動(dòng)H橋，輸出以425kHz（典型值）的頻率開關(guān)，占空比為50%。
2. 外部時(shí)鐘模式：當(dāng)外部時(shí)鐘源施加到CLK引腳時(shí)，外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)H橋，內(nèi)部觸發(fā)器將外部時(shí)鐘分頻為50%占空比的開關(guān)信號(hào)，輸出開關(guān)頻率為外部時(shí)鐘頻率的一半。

（二）看門狗電路

為了防止時(shí)鐘停滯導(dǎo)致變壓器初級(jí)繞組中出現(xiàn)過(guò)大的直流電流，MAX13256內(nèi)置了看門狗電路。當(dāng)CLK引腳的邊沿間隔超過(guò)20μs（最小值）的看門狗超時(shí)時(shí)間時(shí)，內(nèi)部振蕩器為H橋提供開關(guān)信號(hào)。

（三）過(guò)流限制

通過(guò)連接外部電阻（RLIM）到ITH引腳，可以設(shè)置過(guò)流限制。當(dāng)電流超過(guò)限制并持續(xù)超過(guò)1.2ms（典型值）的消隱時(shí)間時(shí)，驅(qū)動(dòng)器禁用，F(xiàn)AULT引腳置低。經(jīng)過(guò)38.4ms（典型值）的重試時(shí)間后，驅(qū)動(dòng)器重新啟用。如果持續(xù)出現(xiàn)故障，故障電流的占空比約為3%。

（四）熱關(guān)斷

當(dāng)結(jié)溫超過(guò) +160°C時(shí)，熱關(guān)斷電路將禁用器件，F(xiàn)AULT引腳置低。當(dāng)結(jié)溫降至 +150°C以下時(shí)，器件恢復(fù)正常工作。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）隔離電源設(shè)計(jì)

MAX13256支持多種次級(jí)側(cè)整流電路，通過(guò)選擇合適的變壓器初級(jí)與次級(jí)繞組比，可以調(diào)整隔離輸出電壓。它具有H橋轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，如多個(gè)隔離輸出、升壓/降壓或反相輸出、寬松的濾波要求和低輸出紋波等。

（二）元件選擇

1. 變壓器選擇：選擇變壓器時(shí)，需要考慮ET乘積和直流繞組電阻。ET乘積應(yīng)滿足ET = VDD / (2 × fSW) 的要求，以確保變壓器在工作過(guò)程中不會(huì)飽和。同時(shí)，選擇低直流繞組電阻的變壓器可以降低功率損耗。
2. 二極管選擇：由于MAX13256的開關(guān)速度較高，需要選擇高速整流二極管。在低輸出電流水平下，可以使用普通硅信號(hào)二極管；在高輸出電流水平下，應(yīng)選擇低正向電壓的肖特基二極管以提高效率。
3. 電容選擇：輸入旁路電容應(yīng)使用1μF陶瓷電容，盡可能靠近器件旁路到地。輸出濾波電容的ESR在對(duì)輸出電壓紋波敏感的應(yīng)用中更為關(guān)鍵，在低溫環(huán)境下可以使用OS - CON電容來(lái)降低輸出電壓紋波。

（三）PCB布局指南

1. 為了實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗和穩(wěn)定運(yùn)行，PCB布局需要仔細(xì)設(shè)計(jì)。將暴露焊盤連接到實(shí)心銅接地平面以提高散熱性能。
2. ST1和ST2到變壓器的走線應(yīng)具有低電阻和低電感，變壓器應(yīng)盡可能靠近MAX13256，使用短而寬的走線。
3. 當(dāng)器件使用內(nèi)部振蕩器時(shí)，要確保CLK引腳有良好的接地連接，以防止ST1和ST2上的高頻開關(guān)分量通過(guò)PCB寄生電容耦合到CLK電路中，導(dǎo)致振蕩器占空比誤差。

六、總結(jié)

MAX13256作為一款高性能的36V H橋變壓器驅(qū)動(dòng)器，為隔離電源的設(shè)計(jì)提供了簡(jiǎn)單、靈活且可靠的解決方案。它具有豐富的保護(hù)功能、可選擇的時(shí)鐘源和小型封裝等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇元件和進(jìn)行PCB布局，以充分發(fā)揮MAX13256的性能優(yōu)勢(shì)。大家在實(shí)際應(yīng)用中有沒(méi)有遇到過(guò)類似器件的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。