探索MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A：高效PoE解決方案

在現(xiàn)代電子設(shè)備中，以太網(wǎng)供電（PoE）技術(shù)憑借其便捷性和高效性，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。今天，我們就來(lái)深入探討一下Maxim Integrated推出的MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A系列產(chǎn)品，這是一系列符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)的高效Class 1/Class 2受電設(shè)備（PD），集成了DC - DC轉(zhuǎn)換器，為PoE系統(tǒng)提供了完整的電源解決方案。

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產(chǎn)品概述

MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A將PD接口與高效的DC - DC轉(zhuǎn)換器集成在一起，大大減少了外部元件數(shù)量。其中，MAX5987A包含一個(gè)低壓差穩(wěn)壓器（LDO），而MAX5986A - MAX5986C則具備睡眠和超低功耗模式。這些設(shè)備采用16引腳、5mm x 5mm的TQFN功率封裝，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C。

關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

高度集成，節(jié)省空間和成本

• 集成DC - DC轉(zhuǎn)換器：內(nèi)置高效的DC - DC轉(zhuǎn)換器，集成了開(kāi)關(guān)，減少了外部元件數(shù)量，降低了物料清單（BOM）成本。
• 輸出電壓監(jiān)控：具備內(nèi)置的輸出電壓監(jiān)控功能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
• 多重保護(hù)功能：能夠有效防止過(guò)載、輸出短路、輸出過(guò)壓和過(guò)熱等問(wèn)題，保障設(shè)備的安全運(yùn)行。
• 集成TVS二極管：可承受電纜放電事件（CDE），增強(qiáng)了設(shè)備的抗干擾能力。
• 內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器：MAX5987A內(nèi)置了最大負(fù)載可達(dá)100mA的LDO穩(wěn)壓器，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。

符合IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)，減少設(shè)計(jì)時(shí)間

• 單電阻分類：通過(guò)單個(gè)電阻即可設(shè)置PoE Class 1/Class 2分類，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程。
• 智能MPS功能：智能維持功率簽名（MPS）符合IEEE 802.3af規(guī)范，確保設(shè)備在不同工況下都能穩(wěn)定運(yùn)行。
• 簡(jiǎn)化壁式適配器接口：提供了簡(jiǎn)化的壁式適配器接口，方便與外部電源連接。
• 抗電纜放電能力：能夠通過(guò)2kV、200m CAT - 6電纜放電測(cè)試，保證了設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性。

輕載高效，降低功耗

• 睡眠和超低功耗模式：MAX5986A - MAX5986C具備睡眠和超低功耗模式，在輕載時(shí)可顯著降低功耗。
• 頻率折返技術(shù)：采用頻率折返技術(shù)，在輕載時(shí)將開(kāi)關(guān)頻率降低一半，提高了功率轉(zhuǎn)換效率。
• 背偏置能力：具備背偏置能力，可優(yōu)化效率，進(jìn)一步降低功耗。

性能強(qiáng)勁，設(shè)計(jì)靈活

• 寬輸入電壓范圍：支持8.7V至60V的寬輸入電壓范圍，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 打嗝模式限流：具備打嗝模式的失控電流限制功能，增強(qiáng)了設(shè)備的穩(wěn)定性。
• 低浪涌電流限制：典型浪涌電流限制為49mA，減少了對(duì)電源的沖擊。
• 開(kāi)放漏極RESET輸出：MAX5987A具備開(kāi)放漏極RESET輸出，方便與其他設(shè)備進(jìn)行接口。
• 可編程輸出電壓：輸出電壓范圍可編程，從3.0V到14V，滿足不同應(yīng)用的需求。
• 固定開(kāi)關(guān)頻率：具備固定的215kHz/430kHz開(kāi)關(guān)頻率，便于設(shè)計(jì)和調(diào)試。

電氣特性

絕對(duì)最大額定值

該系列產(chǎn)品的絕對(duì)最大額定值涵蓋了各種電壓、電流和溫度范圍。例如，VDD到GND的電壓范圍為 - 0.3V至 + 70V，LX總RMS電流最大為1.6A，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C等。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須確保設(shè)備的工作條件在這些額定值范圍內(nèi)，以避免對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。

電氣參數(shù)

詳細(xì)的電氣參數(shù)包括檢測(cè)模式下的輸入偏移電流、有效差分輸入電阻，分類模式下的分類使能閾值、分類禁用閾值等。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)提供了重要的參考依據(jù)。例如，在檢測(cè)模式下，輸入偏移電流最大為10μA，有效差分輸入電阻在23.95kΩ至25.5kΩ之間。

工作模式

檢測(cè)模式（1.4V ≤ VDD ≤ 10.1V）

在檢測(cè)模式下，設(shè)備通過(guò)單個(gè)外部簽名電阻提供檢測(cè)簽名。電源設(shè)備（PSE）會(huì)在VDD上施加兩個(gè)電壓，通過(guò)計(jì)算差分電阻來(lái)確認(rèn)24.9kΩ簽名電阻的存在。此時(shí)，設(shè)備施加VDD到RREF，且由于設(shè)備引起的VDD偏移電流小于10μA。

分類模式（12.6V ≤ VDD ≤ 20V）

在分類模式下，設(shè)備吸收Class 1/Class 2分類電流。PSE施加分類電壓，通過(guò)測(cè)量分類電流來(lái)確定設(shè)備的最大功率需求。設(shè)備可通過(guò)外部24.9kΩ電阻和CLASS2引腳設(shè)置分類電流為10.5mA（Class 1）或18.5mA（Class 2）。

功率模式（VDD ≥ VON）

當(dāng)VDD超過(guò)欠壓鎖定閾值（VON）時(shí)，設(shè)備進(jìn)入功率模式。此時(shí)，內(nèi)部p溝道隔離MOSFET導(dǎo)通，將VCC連接到VDD，并限制浪涌電流。一旦隔離MOSFET完全導(dǎo)通，電流限制將切換到323mA，同時(shí)降壓轉(zhuǎn)換器在123ms后開(kāi)啟。

功能特性詳解

LED驅(qū)動(dòng)（MAX5986A - MAX5986C）

MAX5986A - MAX5986C可驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的LED，最大LED電壓為6.5V。在睡眠和超低功耗模式下，LED電流采用脈寬調(diào)制，占空比為25%，電流幅度可通過(guò)RSL進(jìn)行編程，計(jì)算公式為(ILED = 646 / RSL (mA))。

睡眠和超低功耗模式（MAX5986A - MAX5986C）

這兩種模式可有效降低設(shè)備的功耗。睡眠模式下，內(nèi)部p溝道隔離MOSFET保持導(dǎo)通，降壓轉(zhuǎn)換器關(guān)閉。超低功耗模式則進(jìn)一步降低功耗，同時(shí)維持IEEE標(biāo)準(zhǔn)的功率簽名。進(jìn)入和退出這兩種模式可通過(guò)相應(yīng)的控制引腳實(shí)現(xiàn)。

熱關(guān)斷保護(hù)

當(dāng)設(shè)備的管芯溫度達(dá)到151°C時(shí)，會(huì)觸發(fā)過(guò)熱故障，設(shè)備自動(dòng)關(guān)閉。只有當(dāng)管芯溫度冷卻到 + 135°C以下時(shí)，過(guò)熱故障條件才會(huì)解除，設(shè)備將自動(dòng)復(fù)位。

WAD功能

對(duì)于使用輔助電源（如壁式電源適配器）的應(yīng)用，設(shè)備具備壁式電源適配器檢測(cè)功能。當(dāng)WAD到PGND的電壓大于8.8V時(shí)，檢測(cè)到壁式電源適配器，內(nèi)部隔離MOSFET關(guān)閉，分類電流禁用，設(shè)備從輔助電源獲取功率。

內(nèi)部線性穩(wěn)壓器和背偏置

內(nèi)部電壓穩(wěn)壓器為內(nèi)部電路提供VDRV，VDRV輸出通過(guò)連接到GND的1μF電容進(jìn)行濾波。該穩(wěn)壓器僅用于內(nèi)部使用，不能為外部電路供電。VDRV可由VDD或VAUX供電，具體取決于VAUX的狀態(tài)。如果VOUT大于4.75V，可用于背偏置VDRV電壓穩(wěn)壓器，以提高設(shè)備效率。

電纜放電事件保護(hù)（CDE）

集成的70V電壓鉗位可保護(hù)內(nèi)部電路免受電纜放電事件的影響，增強(qiáng)了設(shè)備的可靠性。

DC - DC降壓轉(zhuǎn)換器

采用PWM、峰值電流模式、固定頻率控制方案，具備快速瞬態(tài)響應(yīng)能力。工作輸入電壓范圍為8V至60V，支持最大6.49W的輸入功率。同時(shí)，具備多種保護(hù)功能，如欠壓鎖定、過(guò)熱關(guān)斷、短路保護(hù)、逐周期峰值電流保護(hù)和逐周期輸出過(guò)壓保護(hù)等。還采用了頻率折返方案，在輕載時(shí)將開(kāi)關(guān)頻率降低一半，提高了效率。

頻率折返保護(hù)

當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)8次電感電流過(guò)零事件時(shí)，設(shè)備進(jìn)入頻率折返模式，開(kāi)關(guān)頻率降低到107.5kHz或215kHz，以提高功率轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)連續(xù)8個(gè)開(kāi)關(guān)周期電感電流不過(guò)零時(shí)，設(shè)備返回正常模式。在啟動(dòng)期間，直到軟啟動(dòng)完成50%時(shí)，強(qiáng)制進(jìn)入頻率折返模式。

打嗝模式

當(dāng)觸發(fā)打嗝保護(hù)時(shí)，設(shè)備關(guān)閉高端MOSFET，開(kāi)啟低端MOSFET，直到電感電流達(dá)到谷值電流限制?？刂七壿嫷却?54ms（MAX5986C為77ms）后，嘗試新的軟啟動(dòng)序列。在軟啟動(dòng)和正常運(yùn)行模式下，若高端MOSFET電流超過(guò)失控電流限制閾值，或在正常運(yùn)行模式下出現(xiàn)輸出欠壓事件（調(diào)節(jié)反饋電壓低于60%），都會(huì)觸發(fā)打嗝模式。

RESET輸出（MAX5987A）

MAX5987A具備開(kāi)放漏極RESET輸出，用于指示LDO或開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是否超出調(diào)節(jié)范圍。當(dāng)任一穩(wěn)壓器低于其調(diào)節(jié)反饋值的92%時(shí)，RESET輸出拉低；當(dāng)兩個(gè)穩(wěn)壓器都高于其值的95%時(shí)，RESET輸出在100μs后變?yōu)楦咦钁B(tài)。

維持功率簽名（MPS）

該功能使設(shè)備能夠維持端口的最小電流（10mA），避免被PSE斷開(kāi)電源。當(dāng)端口電流低于14mA時(shí)，設(shè)備進(jìn)入MPS模式；當(dāng)端口電流大于40mA時(shí)，退出MPS模式。通過(guò)將MPS引腳連接到VDRV可啟用該功能，連接到GND則禁用。

應(yīng)用信息

與壁式適配器配合使用

在使用壁式電源適配器為PD供電的應(yīng)用中，設(shè)備可檢測(cè)壁式電源適配器，并優(yōu)先使用WAD電源。當(dāng)檢測(cè)到壁式電源適配器時(shí)，內(nèi)部隔離MOSFET關(guān)閉，分類電流禁用，設(shè)備從輔助電源獲取功率。

調(diào)整LDO輸出電壓（MAX5987A）

MAX5987A的LDO穩(wěn)壓器可通過(guò)連接LDO_FB到VDRV設(shè)置預(yù)設(shè)電壓為3.3V，也可通過(guò)連接電阻分壓器到LDO_OUT和LDO_FB來(lái)調(diào)整輸出電壓。總反饋電阻應(yīng)在100kΩ左右，最大輸出電流為85mA。

調(diào)整降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓

降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可通過(guò)改變反饋電阻分壓器的比例進(jìn)行設(shè)置。MAX5986A/MAX5987A的輸出電壓范圍為3.0V至5.6V，MAX5986B/MAX5986C為5.4V至14V。FB電壓調(diào)節(jié)為1.225V，應(yīng)保持FB引腳到電阻分壓器中心的走線短，并使總反饋電阻約為100kΩ。

元件選擇

電感選擇

選擇電感時(shí)，可使用公式(L=frac{V{OUT } timesleft(V{IN }-V{OUT }right)}{f{S} × V{IN } × L{I R} × I_{OUT(MAX)}})，其中LIR為電感紋波電流與滿載電流在最小占空比下的比值，建議選擇20%至40%以獲得最佳性能和穩(wěn)定性。應(yīng)選擇直流電阻盡可能低且能適應(yīng)規(guī)定尺寸的電感，粉末鐵氧體磁芯類型通常是性能最佳的選擇。

VCC輸入電容選擇

輸入電容可減少?gòu)妮斎腚娫醇橙〉碾娏鞣逯?，降低IC中的開(kāi)關(guān)噪聲?？傒斎腚娙輵?yīng)滿足公式(C_{INMIN }=frac{D × T{S} × I{OUT }}{V{IN-HIPLE }})，其中VIN - RIPPLE為輸入電容上允許的最大輸入紋波電壓，建議小于最小輸入電壓的2%。輸入電容在開(kāi)關(guān)頻率下的阻抗應(yīng)小于輸入源的阻抗，以確保高頻開(kāi)關(guān)電流通過(guò)輸入電容分流。

輸出電容選擇

輸出電容的關(guān)鍵選擇參數(shù)包括電容值、等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL）和電壓額定值。這些參數(shù)會(huì)影響DC - DC轉(zhuǎn)換器的整體穩(wěn)定性、輸出紋波電壓和瞬態(tài)響應(yīng)?？赏ㄟ^(guò)公式估算輸出電壓紋波，選擇陶瓷電容可降低ESR和ESL，減少輸出電壓紋波。

PCB布局

PCB布局對(duì)于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。建議復(fù)制MAX5986A EV套件的布局以獲得最佳性能。若需要進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)遵循以下原則：

1. 將輸入和輸出電容連接到功率接地平面，其他電容連接到信號(hào)接地平面。
2. 將VDD、VCC、AUX、VDRV的電容盡可能靠近IC及其對(duì)應(yīng)引腳，使用直接走線。保持功率接地平面（連接到PGND）和信號(hào)接地平面（連接到GND）分開(kāi)。
3. 保持高電流路徑短而寬，縮短開(kāi)關(guān)電流路徑，最小化LX、輸出電容和輸入電容形成的環(huán)路面積。
4. 將VDD、VCC和PGND分別連接到大面積銅區(qū)，有助于IC散熱，提高效率和長(zhǎng)期可靠性。
5. 確保所有反饋連接短而直接，將反饋電阻和補(bǔ)償元件盡可能靠近IC放置。
6. 將高速開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（如LX）遠(yuǎn)離敏感模擬區(qū)域（如FB）。
7. 在MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A的EP焊盤上放置足夠的過(guò)孔，以有效散熱。過(guò)孔間距建議為1mm至1.2mm，熱過(guò)孔應(yīng)鍍銅（1oz），孔徑為0.3mm至0.33mm。

典型應(yīng)用電路

文檔中提供了MAX5986A 5V輸出、MAX5986B/MAX5986C 12V輸出以及MAX5987A 5V降壓調(diào)節(jié)器輸出和3.3V LDO輸出的典型應(yīng)用電路，為工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供了參考。

總結(jié)

MAX5986A - MAX5986C/MAX5987A系列產(chǎn)品憑借其高度集成、高效節(jié)能、功能豐富等特點(diǎn)，為PoE系統(tǒng)提供了出色的電源解決方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需要充分考慮其電氣特性、工作模式、功能特性以及元件選擇和PCB布局等方面，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和性能優(yōu)化。你在使用這些產(chǎn)品的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。