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  在現(xiàn)如今現(xiàn)代汽車和工業(yè)領(lǐng)域系統(tǒng)都需要穩(wěn)定的電壓源，系統(tǒng)輸入電壓從一個極端變到另一個極端，電壓源需要保持穩(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致輸入電壓發(fā)生明顯變化。在工業(yè)應用中，線路電壓不足是一個問題，大功率設(shè)備的電機開啟會導致電壓嚴重下降。即使電源轉(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)。比如，廣泛使用的高壓升壓和降壓轉(zhuǎn)換器采用具有標準柵極電平的高壓MOSFET。當輸入下降時，偏置電壓應保持在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)都應具有偏置電壓并保持運作。

  電路描述及功能

  如果預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小(3 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)此目標的解決方案。在最高140 V、最低5 V的輸入電壓范圍內(nèi)，當輸入電壓下降時，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。如果應用需要，可以進行調(diào)整以使解決方案高度最小。