移动通信平台中使用的双路电源控制器MAX1715
关键词：移动通信平台 双路电源控制器 自动脉宽跳变 强制PWM模式
引言
专用移动通信平台（Especial Mobile Platform），简称EMP，是专门为特殊用户设计的，EMP可以使这些用户充分利用现有的蜂窝移动通信网的网络资源来传输他们的业务，从而节省了重新建网的费用和时间。EMP要求体积小，重量轻，功耗小，供电灵活，适应车载，具备“动中通信”条件，能适应部队、武警、公安、交通等部门和行业的使用需求。在EMP中常同时需要5V，3.3V，15V，以及可调的多路小功率直流电源以满足数据，语音，传真，短消息，全球定位等业务的需要。我们采用MAX1715设计了EMP的供电电路很好地满足了用户的需求。
1 MAX1715的工作模式
MAX1715中的MAXIM专有技术――快速PWM脉宽控制，是为宽输入输出电压比，负载快速变化时保持工作频率和电感工作点不变而设计的。快速PWM脉宽控制克服了电流模式控制中，固定频率控制带来的负载瞬态响应差的问题，并且克服了传统的常开通时间和常关闭时间的大范围变频PWM控制带来的问题。MAX1715还提供100ns常开通时间，从而在负载响应时保持相对稳定的开关频率。
如图1所示，快速PWM脉宽控制是一个伪固定频率，具有电压前馈控制的常开通时间电流模式控制。它依靠输出滤波电容的ESR做电流检测电阻，输出纹波电压提供PWM坡度信号。控制算法比较简单：上面开关的开通时间只是由一个单稳态电路来决定，该单稳态电路的工作期和输入电压成反比，而和输出电压成正比。另外一个单稳态电路设定最小的关断时间（典型值是400ns）。如果误差比较器输出低，开通时间单稳态电路被触发。
MAX1715的PWM控制器具有自动的脉宽跳变模式和强制PWM模式两种工作模式。
1.1 自动的脉宽跳变模式
对于跳变模式（脉宽跳变控制端SKIP置低，见图2），轻载时MAX1715自动由PWM控制跳变到PFM控制，这种跳变由一个比较器来决定，在电感电流过零时，该比较器截断了下端开关的开通时间。这种控制方式使脉宽跳变到PFM运行和脉宽不跳变的PWM运行的转折点对应于连续和不连续的电感电流转折点。这个转折点和蓄电池电压的关系不大，对于7V到24V的蓄电池电压，这个转折点基本保持不变。如果使用软饱和电感，PWM到PFM的转折点电流更小。
因为轻载时脉宽跳变，开关波形可能出现噪声和不同步，但是效率高。要在PFM噪声和效率间达到平衡就要改变电感值。通常，低电感值（假定线圈电阻保持恒定）在负载曲线中可以得到更宽的高效范围；高电感值在重载时效率高（假设线圈电阻恒定）并且输出纹波小。高电感值还意味着体积更大，和降低负载瞬态响应（尤其是在低输入电压时）。
图1 MAX1715的快速宽控制逻辑图
直流输出的准确性由跟踪误差的水平来决定，电感电流连续时要比不连续时对纹波的调整性要高50％。电感电流不连续时如果有斜坡补偿，则直流电压的调整率还可以提高1.5％。
1.2 强制PWM模式
在低噪声的强制PWM模式时，控制下端开关开通时间的过零比较器不工作。这使下端开关的波形和上端开关的波形互补。因为，PWM环要保持占空比为VOUT/VIN，所以，轻载时电感电流反向。强制PWM模式的好处是保持频率为常数，坏处是空载时电池电流有10mA到40mA，这由外部MOSFET决定。
强制PWM模式对提高负载瞬态响应，减小音频噪声很有好处，还能提高动态输出电压调整时所需的吸收电流能力，提高多路输出时的调整能力。
2 MAX1715的参数计算
我们设计的移动通信平台电路参数如下：
输入电压VIN=8～14.5V；
输出电压VOUT1=3.3V，VOUT2=5V；
蓄电池51.2V=6V，容量为2.8Ah；
纹波系数LIR=0.35；
负载电流3A；
开关频率第一路345kHz，第二路255kHz；
MOS管IRF7313，导通电阻RDS=0.032Ω，最大导通电阻RDS(MAX)=0.046Ω，VDSS=30V，CRSS=130pF。
在确定开关频率和电感工作点（纹波比率）前，先确定输入电压范围和最大负载电流。尖峰负载电流会对元器件的瞬态应力和滤波要求产生影响，并因此决定了输出电容选择，电感饱和率和限流电路的设计。连续负载电流决定了温度应力，并因此决定了输入电容及MOSFET的选择和其他要考虑热效应的器件的选择。一般设计连续负载电流是尖峰负载电流的80％。
电感工作点也是效率和体积的折中，最小的最优电感使电路工作在导通关键点的边际（每个周期在最大负载电流时，电感电流刚好过零）。MAX1715的脉宽跳变算法在每个关键导通点启动跳变模式。所以，电感的运行点也决定了PFM/PWM模式转换的负载电流。最优的点是20％到50％电感电流间，所以，我们取LIR为0.35。
2.1 电感选择
开关频率和电感运行点〔纹波(％)即纹波系数LIR〕决定了电感值，电感的直流电阻要小，以减小电感的损耗。最好选择铁心电感，并且磁芯要足够大，以保证在尖峰电感电流时不会饱和。低电感值使电感电流上升较快，在负载突变时补充输出滤波电容上的电荷，瞬态响应快。
第一种输出的电感为L1（对应图2中的L8），第二路输出的电感为L2（对应图2中的L9），当VIN取10V时其计算值如下：
L1=VOUT1(VIN-VOUT1)/VISfLIRILOAD(MAX)
=[3.3(10-3.3)]/[1034510 30.35(3/0.8)]
=4.88μH
取标称值6.8μH；
L2=VOUT2(VIN-VOUT2)/[VINfLIRILOAD(MAX)]=
=7.47μH
取标称值6.8μH。
IPEAK=ILOAD(MAX)＋(LIR/2)ILOAD(MAX)=（3/0.8）＋(0.35/2)（3/0.8）
=4.41A
2.2 确定限流
限流的下限电流值等于最小限流门限（范围由50mV到200mV）除以下端MOSFET的最大通态电阻,这个最大通态电阻是考虑了每℃增加0.5％的值。
限流的方法有两种：一种是将脚3ILIM接脚
21VCC（见图2），对应的限流门限是默认值100mV；
另一种是由限流电路内部5μA电流源和ILIM外接
电阻调限流门限（电阻范围由100kΩ到400kΩ），
内部实际的限流门限是ILIM端电压的1/10。则
限流电阻RLIMIT为
RLIMIT=ILOAD(MAX)RDS(MAX)10/(510－6)
=(3/0.8)0.046107/5=345kΩ
取标称值280kΩ。
图2 MAX1715的实验电路
输出电容（对应图2中C35及C41）的选择主要看ESR和耐压值而不仅仅看电容值。输出电容必须有足够小的ESR，以满足输出纹波和负载动态响应的需要；同时又必须有足够大的ESR以满足稳定性的需要。电容值也要足够大以满足满载到空载转换时吸收电感储能的需要，否则，过电压保护会触发。
在有CPU的应用场合，电容的尺寸取决于需要多大的ESR来防止负载瞬态响应时输出电压太低。如VDIP是瞬态输出电压，则ESR?VDIP/ILOAD(MAX)。
在没有CPU的应用场合，电容的尺寸取决于需要多大的ESR来保持输出电压纹波的水平。如Vp?p是电压纹波，则
ESR≤Vp-p/(LIRILOAD(MAX))
输出电容引起的不稳定工作体现在两个方面：双跳动和反馈电路不稳定。双跳动是由于输出噪声或ESR电阻太小使输出电压信号没有足够的坡度。这“欺骗”了误差放大器在400ns的最小死区后产生一个新的周期。电路不稳定是指在电源或负载扰动时产生振荡，这将触发输出过压保护或使输出电压降到设定值以下。稳定性由相对开关频率的ESR零点决定，电容的零点频率必须低于开关频率f决定的稳定点fESR。
fESR=f/π，fESR=1/（2πESRC)
我们选择了ESR零点频率低的钽电容，其电容值为330μF。
2.4 输入电容选择
输入电容（对应图2中C39，C40）主要是要满足抑制开关产生的纹波电流（IRMS）的需要。
采用陶瓷电容，铝电容比较合适，因为，它们的电阻能抑制开通时的浪涌电流。我们选用了10μF的铝电解电容和10nF的陶瓷电容。2.5 MOSFET选择
注意最大输入电压时的导通损耗和开关损耗之和不超过封装热限制。选择下端的MOSFET也应尽量具有小的导通电阻，虽然，下端MOSFET在最大输入电压时电阻上的功率损耗最大，但是，在Buck电路中下端的MOSFET是零电压开关，所以，下端的MOSFET导通损耗不是问题，还可以在下端开关管上并一个肖特基二极管，以防止下端开关管的体二极管在死区时间导通。
最坏导通损耗在占空比极限时产生。上端MOSFET在最小输入电压时的导通损耗最大，在最大输入电压时开关损耗最大，即
导通损耗PRDS=(VOUT2/VIN(MIN)I2LOADRDS
=5/83 20.046=0.2588W
开关损耗PS=VRSSVIN(MAX)fILOAD=
=(13010 -1214.534510 3 3)/1
=0.0283W
3 实验结果
MAX1715由于没有电流检测电阻，并且有快速PWM控制和自动的脉宽跳变模式，所以，其效率相对其他应用电路更高，我们设计的电路实验效率达到了97％。电路图如图2所示。
4 结语
本文分析了MAX1715的原理及特点，并将其应用到移动通信平台中，满足了EMP多路供电要求，并且满足了体积小，重量轻，辐射小，供电灵活，效率高的要求，取得了较好的结果。
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