5 V至140 V寬廣輸入產生12 V、200 mA偏置電源

作者:ADI 資深應用工程師Victor Khasiev


簡介

現代汽車和工業系統需要穩定的電壓源,即使系統輸入電壓從一個極端變到另一個極端,電壓源也須保持穩定。在汽車系統中,冷啟動、動態燃油管理系統中的氣缸停用/啟動或發動機負載大幅改變可能會導致輸入電壓發生明顯變化。同樣的,在工業應用中,線路電壓不足也是問題之一,因為大功率設備的電機開啟會導致輸入電壓嚴重下降

即便電源轉換系統無法在低壓輸入下為負載提供所需全部功率,但無論輸入電壓位準如何,這些系統中的許多系統都必須保持運行狀態。例如,廣泛使用的高壓升壓和降壓轉換器採用具有標準閘極位準的高壓MOSFET。當輸入下降時,偏置電壓應保持在10 V以上,以使閘極驅動器維持正常工作。無論輸入條件如何,關鍵的數位控制和資訊系統都應具有偏置電壓並保持運作。

本文介紹在廣泛電壓為5 V至140 V的電氣系統中維持偏置電壓的解決方案。

電路描述及功能

如果預計輸入電壓不會降至所需的偏置位準以下,並且設計目標是使用外部偏置電源來大幅度地降低切換控制器的功耗,那麼可以採用簡單的降壓轉換器。

圖1顯示了這種方法。解決方案的重點是具有內部切換電晶體的高壓降壓控制器 LTC7138 。電源系統還包括電感L1、二極體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。

 High voltage, buck-based bias circuit

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的初始輸入電壓位準降至12 V,但輸出向負載提供穩定的0.2 A、12 V電壓。

 High voltage, buck-based bias circuit

圖 2. 高壓降壓偏置電路波形, VIN 為 20 V/div , VOUT 為 5 V/div ,時間尺規為 50 ms/div 。

如果輸入電壓降至所需的偏置位準以下,此設計的性能展望將發生明顯變化。在這種情況下,僅使用降壓轉換器是不夠的,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)是類似於圖1所示的高壓降壓轉換器。其輸出連接到升壓轉換器,並基於整合功率電晶體的 LT8330 轉換器IC。電源系統包括電感L2、二極體D2和輸出濾波器。與降壓前端相比,升壓轉換器電路中的元組件上的電壓應力要低得多,因而可以選擇相對便宜的元件,總成本得以降低。

High voltage, dual stage-based circuit

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 )。

此電路中的降壓轉換器輸出設定為12.5V。但是,升壓轉換器的輸出設定為10.5 V的較低電壓,足以使負載正常工作。轉換器永遠不會同時工作,當其中一個正進行切換時,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變為100 V時,只有降壓轉換器處於工作狀態,為負載提供12.5V電壓。電流通過升壓轉換器的電感和二極體流向負載端子VOUT 。由於電流位準相對較低,該電流路徑中的損耗極小。

只要 VIN > 12.5 V,升壓轉換器的輸出端電壓就是12.5 V,遠超過預設值10.5 V,因此升壓部分無切換動作,僅降壓部分有效。

當輸入電壓降至12.5 V或更低時,降壓轉換器停止切換,但內部P通道MOSFET保持導通狀態,從而支援以100%工作週期操作。

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 位準。在中間軌的10.5 V < VRAIL < 12.5 V範圍內,轉換器的降壓和升壓部分均不切換。

如果輸入電壓繼續下降,VRAIL 位準降至10.5 V以下,則升壓轉換器開始工作,使VOUT 保持在10.5V。

圖4展示該轉換器功能的波形。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。轉換器的照片如圖7所示。

High voltage, dual stage-based bias circuit

圖 4. 高壓雙級偏置電路波形。負載電流為 0.15 A ,時間尺規為 50 ms/div 。

High voltage, dual stage-based bias circuit

圖 5. 高壓雙級偏置電路波形。負載電流為 0.1 A ,時間尺規為 50 ms/div 。

The input voltage rises waveforms

圖 6. 輸入電壓上升波形。負載電流為 0.1 A ,時標為 50 ms/div 。

LTC7138 converter breadboard

圖 7. LTC7138 轉換器試驗板。

轉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。

equation1
equation2

假設給定 VO, IMAX和 IO ,則升壓轉換器最小電壓可表示為

equation3
equation4

但是,如果給定 VO, VINMIN和 IMAX 則最大輸出電流IO為

結論

讓主要電源系統在寬廣輸入電壓範圍內運作是很重要的,而本文即討論了實現此目標的解決方案。在最高140 V、最低5 V的輸入電壓範圍內,當輸入電壓下降時,本文所述電路可以產生穩定的偏置位準。安全的偏置位準可確保高壓MOSFET和控制模組正常工作。本文所提出使用高整合度轉換器的方案不僅減少元件數量並降低了總成本,若應用所需,更可經由調整以將解決方案高度達到較大的縮減。