如何運用無變壓器的高壓降壓控制器實現電壓轉換

作者：ADI 電源管理專家Frederik Dostal


問題:

如果不使用變壓器，能否將 100 V以上的可用電壓直接轉換為更低的輸出電壓？

How to Convert Voltages Using a High Voltage Buck Controller Without a Transformer

答案:

這是可行的。但需要一個高壓降壓轉換器，該轉換器需能承受 100 V以上的高壓，並且在極小的工作週期下仍能有效工作。這一點在需要低輸出電壓時尤其重要。

摘要

在低電壓情形中，通常使用無變壓器的開關模式電源。但在某些應用中，也可改為使用高壓降壓控制器等新型元件。高壓降壓控制器能夠實現簡潔的設計，進而避免了使用變壓器所帶來的成本和難度。而且高壓降壓控制器具備高功率轉換效率，支援高輸出電壓，並可用於從正電源生成高負電壓。

引言

基於降壓轉換器原理的開關模式電源廣泛用於各類電子應用。其不需要變壓器，只需一個簡單的線圈即可高效地將高電壓轉換為低電壓。此類轉換器應用廣泛，設定也相當簡單。在典型應用中，電源電壓最高可達60 V，輸出電壓可達12 V。如果電源電壓更高，或者希望輸出電壓更高時，可供選擇的轉換器IC通常較少。

當然，運用開關穩壓器在更高電壓下進行電壓轉換也是可行的，但由於使用基於變壓器的轉換器拓撲，如反馳式或順向類型，因而需要笨重且昂貴的變壓器。

圖1中的兩個開關S1和S2主要控制輸入電壓的最大可能範圍。然而，電壓轉換器IC中的相應驅動器也必須能夠產生S1開關所需的高閘極電壓。該電壓是最大電源電壓與MOSFET所需的閾值電壓之和。因此，除了MOSFET，電壓轉換器IC也必須根據要求進行相應的選擇。圖2所示為一款LTC7897控制器IC，其支援高達135 V（絕對最大值140 V）的電源電壓。使用此款IC時，輸出電壓可以非常高，最高可達135 V，只要低於輸入電壓即可。

Figure 1. The topology of a downconverting switching regulator without a transformer.
圖1. 無變壓器的降壓開關穩壓器的拓撲結構
Figure 2. The LTC7897 buck controller with up to 135 V permissible operating voltage (simplified circuit).
圖2. 工作電壓最高可達135 V的LTC7897降壓控制器（簡化電路）

此款高壓降壓控制器可以將100 V轉換為12 V。由於此設計使用分立開關，因此可以選擇支援大電流的MOSFET。例如，圖2中的電路可以產生20 A負載電流和12 V輸出電壓。

除了圖2中將高電壓轉換為低電壓的例子之外，還有一種場景是利用高正電壓獲得負電壓。實現這種轉換的一種可能拓撲是反相降壓-升壓控制器拓撲。此電路不需要變壓器，只需一個簡單的線圈即可從正輸入電壓生成負電壓。

反相降壓-升壓拓撲要求電壓轉換器具備夠高的最大電壓承受能力，至少要能承受可用電源電壓與所生成負輸出電壓的絕對值之和。如果 VIN為48 V，所需的 VOUT為-65 V，則開關電源轉換器的電壓額定值必須至少為103 V。因此，具有高電壓額定值的開關模式電源特別適合生成高負電壓。

圖3顯示了LTC7897在反相拓撲中將48 V電源電壓轉換為-65 V輸出電壓。

Figure 3. An inverting topology where high voltage capability is particularly important (simplified circuit).
圖3. 高電壓能力在反相拓撲中特別重要（簡化電路）

結論

在高電壓下工作的開關模式電源，不一定需要選擇基於變壓器的拓撲。透過採用諸如 LTC7897此類適當的電源轉換器IC便可在許多應用中正常運行，而不必使用複雜且成本高昂的變壓器。