基于汽車系統(tǒng)5V至140V的電氣系統(tǒng)中維持偏置電壓的解決方案

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(gè)極端變到另一個(gè)極端，電壓源也須保持穩(wěn)定。在汽車系統(tǒng)中，冷啟動(dòng)、動(dòng)態(tài)燃油管理系統(tǒng)中的氣缸停用/激活或發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載顯著改變可能會(huì)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(gè)問題，大功率設(shè)備的電機(jī)開啟會(huì)導(dǎo)致輸入電壓嚴(yán)重下降。

即便電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)無法在低壓輸入下為負(fù)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(yùn)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(zhǔn)柵極電平的高壓MOSFET。當(dāng)輸入下降時(shí)，偏置電壓應(yīng)保持在10 V以上，以使柵極驅(qū)動(dòng)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(yùn)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(jì)輸入電壓不會(huì)降至所需的偏置電平以下，并且設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jià)比22 μF200 V EMVE201 ARA220MKG5S），但它會(huì)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(yàn)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(fù)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(shí)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(jì)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?yàn)楫?dāng)輸入降至所需的輸出以下時(shí)，輸出電壓會(huì)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(fù)載正常工作。轉(zhuǎn)換器永遠(yuǎn)不會(huì)同時(shí)工作。如果一個(gè)正在切換，另一個(gè)就不會(huì)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(shí)，只有降壓轉(zhuǎn)換器處于工作狀態(tài)，為負(fù)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(fù)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(yuǎn)超過預(yù)設(shè)值10.5 V，因此升壓部分無開關(guān)動(dòng)作，僅降壓部分有效。

當(dāng)輸入電壓降至12.5 V或更低時(shí)，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(gè)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(fù)載電流為0.15A時(shí)，最小輸入電壓為5.5 V。負(fù)載降低至0.1 A時(shí)，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(fù)載電流為 0.15 A ，時(shí)間標(biāo)尺為 50 ms/div 。

圖 5. 高壓雙級偏置電路波形。負(fù)載電流為 0.1 A ，時(shí)間標(biāo)尺為 50 ms/div 。

圖 6. 輸入電壓上升波形。負(fù)載電流為 0.1 A ，時(shí)標(biāo)為 50 ms/div 。

圖 7. LTC7138 轉(zhuǎn)換器試驗(yàn)板。

轉(zhuǎn)換器選型的基本注意事項(xiàng)

最大輸入電壓和負(fù)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(gè)電源的最小輸入電壓。

結(jié)論

讓主要電源系統(tǒng)在寬輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)行很重要。本文討論了實(shí)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(shí)，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(jìn)行調(diào)整以使解決方案高度最小。

編輯：hfy