圖 1. 高壓降壓偏置電路原理圖, VIN 為 12.5 V 至 140 V ,VOUT 為 12 V at 0.2 A.
在源電壓5 V至140 V的電氣系統(tǒng)中,如何維持偏置電壓呢?
發(fā)布時間:2021-01-30 來源:亞德諾半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】現(xiàn)代汽車和工業(yè)系統(tǒng)需要穩(wěn)定的電壓源,即使系統(tǒng)輸入電壓從一個極端變到另一個極端,電壓源也須保持穩(wěn)定。在汽車系統(tǒng)中,冷啟動、動態(tài)燃油管理系統(tǒng)中的氣缸停用/激活或發(fā)動機負載顯著改變可能會導(dǎo)致輸入電壓發(fā)生明顯變化。同樣,在工業(yè)應(yīng)用中,線路電壓不足是一個問題,大功率設(shè)備的電機開啟會導(dǎo)致輸入電壓嚴重下降。
即便電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)無法在低壓輸入下為負載提供所需全部功率,但無論輸入電壓電平如何,這些系統(tǒng)中的許多系統(tǒng)都必須保持運行狀態(tài)。例如,廣泛使用的高壓升壓和降壓轉(zhuǎn)換器采用具有標(biāo)準柵極電平的高壓MOSFET。當(dāng)輸入下降時,偏置電壓應(yīng)保持在10 V以上,以使柵極驅(qū)動器維持正常工作。無論輸入條件如何,關(guān)鍵的數(shù)字控制和信息系統(tǒng)都應(yīng)具有偏置電壓并保持運作。本文介紹在源電壓為5 V至140 V的電氣系統(tǒng)中維持偏置電壓的解決方案。
電路描述及功能
如果預(yù)計輸入電壓不會降至所需的偏置電平以下,并且設(shè)計目標(biāo)是使用外部偏置電源來最大程度地降低開關(guān)控制器的功耗,那么可以采用簡單的降壓轉(zhuǎn)換器。
圖1顯示了這種方法。解決方案的重點是帶有內(nèi)部開關(guān)晶體管的高壓降壓控制器LTC7138 。電源系統(tǒng)還包括電感L1、二極管D1以及輸出電容C2和C3。為使解決方案高度最?。? mm以下),輸入中僅使用陶瓷電容。也可以使用極化電容(例如高性價比22 µF200 V EMVE201 ARA220MKG5S),但它會大大增加偏置電源的高度。
圖 1. 高壓降壓偏置電路原理圖, VIN 為 12.5 V 至 140 V ,VOUT 為 12 V at 0.2 A.
此電路已經(jīng)經(jīng)過驗證和測試,圖2中的波形說明了其功能。100 V的初始輸入電壓電平降至12 V,但輸出向負載提供穩(wěn)定的0.2 A、12 V電壓。
圖 2. 高壓降壓偏置電路波形, VIN 為 20 V/div , VOUT 為 5 V/div ,時間標(biāo)尺為 50 ms/div 。
如果輸入電壓降至所需的偏置電平以下,此設(shè)計的性能展望將發(fā)生顯著變化。在這種情況下,僅使用降壓轉(zhuǎn)換器是不夠的,因為當(dāng)輸入降至所需的輸出以下時,輸出電壓會跟隨輸入。圖3顯示了一種使用雙級偏置電源的解決方案。第一級(主級)是類似于圖1所示的高壓降壓轉(zhuǎn)換器。其輸出連接到升壓轉(zhuǎn)換器,并基于集成功率晶體管的LT8330 轉(zhuǎn)換器IC。電源系統(tǒng)包括電感L2、二極管D2和輸出濾波器。與降壓前端相比,升壓轉(zhuǎn)換器電路中的元器件上的電壓應(yīng)力要低得多,因而可以選擇相對便宜的器件,總成本得以降低。
圖 3. 高壓雙級電路原理圖, VIN 為 5 V 至 140 V , VOUT 為 10.5 V ( 0.1 A 至 0.15 A )。
此電路中的降壓轉(zhuǎn)換器輸出設(shè)置為12.5V。但是,升壓轉(zhuǎn)換器的輸出設(shè)置為10.5 V的較低電壓,足以使負載正常工作。轉(zhuǎn)換器永遠不會同時工作。如果一個正在切換,另一個就不會切換
在正常工作條件下(VIN > 12.5 V),當(dāng)輸入電壓從12.5 V變?yōu)?00 V時,只有降壓轉(zhuǎn)換器處于工作狀態(tài),為負載提供12.5V電壓。電流通過升壓轉(zhuǎn)換器的電感和二極管流向負載端子VOUT 。由于電流電平相對較低,該電流路徑中的損耗極小。
只要 VIN > 12.5 V,升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端電壓就是12.5 V,遠超過預(yù)設(shè)值10.5 V,因此升壓部分無開關(guān)動作,僅降壓部分有效。
當(dāng)輸入電壓降至12.5 V或更低時,降壓轉(zhuǎn)換器停止切換,但內(nèi)部P溝道MOSFET保持導(dǎo)通狀態(tài),從而支持以100%占空比工作。
如果輸入電壓降至12.5 V以下,則兩個電壓VRAIL (中間軌)和VOUT均降至VIN 電平。在中間軌的10.5 V < VRAIL < 12.5 V范圍內(nèi),轉(zhuǎn)換器的降壓和升壓部分均不切換。
如果輸入電壓繼續(xù)下降,VRAIL 電平降至10.5 V以下,則升壓轉(zhuǎn)換器開始工作,使V OUT 保持在10.5V。
圖4給出了說明該轉(zhuǎn)換器功能的波形。負載電流為0.15A時,最小輸入電壓為5.5 V。負載降低至0.1 A時,對應(yīng)的最小輸入電壓為5.0 V,如圖5所示。輸入電壓從5 V上升到100 V的情況如圖6所示。轉(zhuǎn)換器的照片如圖7所示。
圖 4. 高壓雙級偏置電路波形。負載電流為 0.15 A ,時間標(biāo)尺為 50 ms/div 。
圖 5. 高壓雙級偏置電路波形。負載電流為 0.1 A ,時間標(biāo)尺為 50 ms/div 。
圖 6. 輸入電壓上升波形。負載電流為 0.1 A ,時標(biāo)為 50 ms/div 。
圖 7. LTC7138 轉(zhuǎn)換器試驗板。
轉(zhuǎn)換器選型的基本注意事項
最大輸入電壓和負載電流決定了升壓轉(zhuǎn)換器的最小工作輸入電壓,從而也決定了整個電源的最小輸入電壓。
假設(shè)給定 VO, IMAX和 IO ,則升壓轉(zhuǎn)換器最小電壓可表示為
但是,如果給定 VO, VINMIN和 IMAX 則最大輸出電流IO為
結(jié)論
讓主要電源系統(tǒng)在寬輸入電壓范圍內(nèi)運行很重要。本文討論了實現(xiàn)此目標(biāo)的解決方案。在最高140 V、最低5 V的輸入電壓范圍內(nèi),當(dāng)輸入電壓下降時,本文所述電路可以產(chǎn)生穩(wěn)定的偏置電平。安全的偏置電平可確保高壓MOSFET和控制模塊正常工作。所提出的使用高集成度轉(zhuǎn)換器的方案減少了元件數(shù)量并降低了總成本。如果應(yīng)用需要,可以進行調(diào)整以使解決方案高度最小。
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