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掃描到另一個極端。在汽車系統(tǒng)中，冷啟動啟動、動態(tài)燃油管理系統(tǒng)中的氣缸停用/激活或發(fā)動機(jī)負(fù)載發(fā)生顯著變化，都可能導(dǎo)致顯著的軌道電壓變化。同樣，在工業(yè)應(yīng)用中，線路掉電也是一個問題，高功率設(shè)備中電機(jī)的接通會導(dǎo)致輸入電壓嚴(yán)重下降。

即使電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)無法在低壓輸入下為負(fù)載提供全功率，無論輸入電壓電平如何，其中許多系統(tǒng)都必須保持運(yùn)行。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(zhǔn)柵極電平的高壓MOSFET。在輸入壓差時，偏置電壓應(yīng)保持在10 V以上，以保持柵極驅(qū)動器正常工作。無論輸入條件如何，關(guān)鍵數(shù)字控制和信息系統(tǒng)都應(yīng)該偏置且功能正常。

本文介紹在5 V至140 V寬源電壓范圍內(nèi)保持電氣系統(tǒng)中偏置電壓的解決方案。

電路描述和功能

如果預(yù)計輸入電壓不會低于理想的偏置電平，并且設(shè)計目標(biāo)是使用外部偏置電源以最大限度地降低開關(guān)控制器的功耗，則可以采用簡單的降壓轉(zhuǎn)換器。

圖 1 說明了此方法。該解決方案以具有內(nèi)部開關(guān)晶體管的高電壓降壓控制器LTC7138為中心。動力傳動系還包括電感L1、二極管D1以及輸出電容C2和C3。為了將解決方案曲線降至3 mm以下，輸入端僅使用陶瓷電容器。也可以使用可選的極化電容（例如，經(jīng)濟(jì)高效的22 μF 200 V，EMVE201 ARA220MKG5S），但它大大增加了偏置電源的高度。

圖1.高壓、基于降壓的偏置電路電氣原理圖，其中V型在電壓為 12.5 V 至 140 V，V外0.2 A 時為 12 V。

該電路經(jīng)過驗證和測試，波形說明了圖2所示電路的功能。100 V的初始輸入電壓電平降至12 V，但輸出為負(fù)載提供0.2 A的穩(wěn)定12 V電壓。

圖2.高電壓、基于降壓的偏置電路波形，其中V為V在為 20 V/格，V外為 5 V/格，時間刻度為 50 ms/格。

如果輸入電壓降至所需偏置電平以下，該設(shè)計的性能前景將顯著變化。在這種情況下，僅使用降壓轉(zhuǎn)換器是不夠的，因為當(dāng)輸出電壓低于所需輸出時，輸出電壓會跟隨輸入。圖3顯示了使用雙級偏置電源的此問題的解決方案。第一級是高壓降壓轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。它的輸出連接到升壓轉(zhuǎn)換器，并基于集成功率晶體管的LT8330轉(zhuǎn)換器IC。動力傳動系包括電感L2、二極管D2和一個輸出濾波器。與降壓前端相比，升壓轉(zhuǎn)換器電路中元件上的電壓應(yīng)力要低得多，這允許選擇相對便宜的器件并降低總體成本。

圖3.高壓、基于雙級的電路電氣原理圖，其中V型在為 5 V 至 140 V，V外0.1 A 至 0.15 A 時為 10.5 V。

本電路中降壓轉(zhuǎn)換器的輸出設(shè)置為12.5 V。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(fù)載正常工作。轉(zhuǎn)換器永遠(yuǎn)不會同時運(yùn)行。如果一個正在切換，第二個則不是。

在正常工作條件下（V在> 12.5 V），當(dāng)輸入電壓從12.5 V變?yōu)?00 V時，只有降壓轉(zhuǎn)換器處于活動狀態(tài)，為負(fù)載提供12.5 V。電流流向負(fù)載端子 V外通過升壓轉(zhuǎn)換器的電感和二極管。由于電流水平相對較低，因此該電流路徑中的損耗最小。

只要V在>12.5 V時，升壓轉(zhuǎn)換器輸出端的電壓為12.5 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)設(shè)值10.5 V，因此升壓部分沒有開關(guān)動作，只有降壓處于活動狀態(tài)。

當(dāng)輸入電壓降至12.5 V或以下時，降壓轉(zhuǎn)換器停止開關(guān)，但使內(nèi)部P溝道MOSFET保持導(dǎo)通狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)100%占空比工作。

如果輸入電壓低于 12.5 V，則兩個電壓 V軌（中間導(dǎo)軌）和 V外，落到 V在水平。在 10.5 V < V軌<中間軌的12.5 V范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換器的降壓和升壓都不會開關(guān)。

如果輸入電壓繼續(xù)下降并且 V軌電平降至 10.5 V 以下，升壓轉(zhuǎn)換器開始工作，保持 V外在 10.5 V 時。

圖4顯示了說明該轉(zhuǎn)換器功能的波形。負(fù)載電流下的最小輸入電壓為5.5 V，負(fù)載降至0.1 A相當(dāng)于最小輸入電壓5.0 V，如圖5所示。輸入電壓從5 V上升到100 V如圖6所示。轉(zhuǎn)換器的照片如圖7所示。

圖4.基于雙級的高壓偏置電路波形。負(fù)載電流為 0.15 A，時間刻度為 50 ms/div。

圖5.基于雙級的高壓偏置電路波形。負(fù)載電流為0.1 A，時間標(biāo)度為50 ms/格。

圖6.輸入電壓上升波形。負(fù)載電流為0.1 A，時間標(biāo)度為50 ms/格。

圖7.LTC7138 轉(zhuǎn)換器試驗板。

選擇轉(zhuǎn)換器組件的基本考慮因素

最大輸入電壓和負(fù)載電流定義了升壓的最小工作輸入電壓，相應(yīng)地定義了整個電源的最小輸入電壓。

假設(shè) VO我.MAX，和我O如給定的，則升壓最小電壓可以描述為

但是，如果 VO， VIN最低，和我.MAX給出，最大輸出電流IO是

結(jié)論

保持主要電源系統(tǒng)在寬輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)行非常重要。本文討論此目標(biāo)的解決方案。本文介紹的電路在輸入電壓高達(dá)140 V時產(chǎn)生穩(wěn)定的偏置電平，在輸入電壓下降期間低至5 V。安全的偏置電平保證了高壓 MOSFET 和控制模塊的正常工作。所提出的方案使用高度集成的轉(zhuǎn)換器，減少了元件數(shù)量和總體成本。如果應(yīng)用需要，可以進(jìn)行調(diào)整以最小化解決方案高度。

審核編輯：郭婷