帶有較低額定輸入電壓控制器的150V非同步降壓解決方案

在如今的許多應(yīng)用中，要求的額定輸入電壓超過許多現(xiàn)有DC/DC控制器的VIN最大額定值。對(duì)此，傳統(tǒng)的解決辦法包括使用昂貴的前端保護(hù)或?qū)崿F(xiàn)低端柵極驅(qū)動(dòng)器件。這意味著采用隔離拓?fù)?，如反激?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器。隔離拓?fù)渫ǔＰ枰远x磁性，且與非隔離方法相比，設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本也有所增加。

存在著另一種解決方案，可以通過使用VIN max（最大輸入電壓）小于系統(tǒng)輸入電壓的簡(jiǎn)易降壓控制器來解決問題。這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

降壓控制器通常來源于參考電位（0V）的偏置電源（圖1a）。偏置電源來自輸入電壓；因此，器件需要承受全部的VIN電位。然而，因?yàn)殚_通P通道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）所需的柵極驅(qū)動(dòng)電壓在VGS低于VIN，P通道降壓控制器具有參考VIN（圖1b）的柵極驅(qū)動(dòng)電源。關(guān)閉P通道MOSFET則僅需簡(jiǎn)單地將柵極電壓變?yōu)閂IN（0V VGS）（圖2）。

圖1：N通道(a)的VCC偏置生成；和P通道控制器(b)

圖2：P通道控制器的柵極驅(qū)動(dòng)

非同步P通道控制器導(dǎo)出其偏置電源以驅(qū)動(dòng)P通道柵極，可帶來巨大的效益，并且可能實(shí)現(xiàn)提供懸浮在0V電位以上的虛擬接地。對(duì)于N通道高側(cè)MOSFET，電壓來自接地的參考電源。這是使用升壓電容器和二極管泵送的電荷，以提供高于VIN源極電位的柵極電壓。使用P通道高側(cè)MOSFET可以顯著簡(jiǎn)化該問題。要打開P通道MOSFET，柵極電位需要低于VIN的源極電位。因此，電源僅參考VIN，而非上面提到的VIN和接地。

懸浮接地

如何為控制器創(chuàng)建懸浮接地？這很簡(jiǎn)單，通過使用射極跟隨器即可實(shí)現(xiàn)。圖3所示為這種方案的基本實(shí)踐。PNP發(fā)射極的電位為Vbe（~0.7V），低于齊納二極管電壓電位（Vz）。實(shí)質(zhì)上，您可以將控制器浮動(dòng)到VIN，并調(diào)節(jié)控制器的參考值，以限制VIN與器件接地之間的電壓。

圖3：使用簡(jiǎn)易射極跟蹤器方案創(chuàng)建虛擬接地

輸出電壓轉(zhuǎn)換

這里有一項(xiàng)挑戰(zhàn)需要克服。由于控制器位于虛擬接地（Vz-Vbe），并產(chǎn)生參考接地（0V）電位的降壓輸出電壓，因此如何才能將輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為位于虛擬接地上方的反饋電壓（通常介于0.8V和1.25V之間）？圖4說明了具體的挑戰(zhàn)。

圖4：展示VOUT（參考0V接地）與控制器的反饋電壓（參考虛擬接地）之間電壓電位差的示意圖

要關(guān)閉環(huán)路，您可以使用一對(duì)配對(duì)晶體管以實(shí)踐圖5所示的電路。一匹配對(duì)將反饋信號(hào)發(fā)送至VIN；另一匹配對(duì)產(chǎn)生從VIN到虛擬接地之上電位的電流。

圖5：非同步控制器和使用配對(duì)晶體管的饋電實(shí)踐的高級(jí)原理圖

綜上所述

LM5085是我所述應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)樗且粋€(gè)P通道非同步控制器，其VCC偏置電源參考VIN。在傳統(tǒng)應(yīng)用中，LM5085可承受高達(dá)75VIN的輸入電壓。對(duì)于輸入瞬態(tài)電壓遠(yuǎn)高于75V的應(yīng)用，請(qǐng)考慮此處提出的解決方案，該輸出為12V。

從控制器反饋電壓1.25V開始，使用電流將反饋（Ifb）設(shè)置為1mA，使用公式1計(jì)算Rfb值：

式中，Rfb = 1.25k。

Rfb1設(shè)置電流鏡的參考電流。再次以1mA作為參考電流，并使用公式2，計(jì)算Rfb1，以設(shè)置輸出電壓：

式中，VOUT = 12V，Rfb1 = 11.3k，Vbe為~0.7V。

當(dāng)1mA流入Rfb2且發(fā)射極電流大致等于集電電流（Ie?Ic）時(shí)，設(shè)置參考電流Iref2。環(huán)路閉合，且電壓將調(diào)節(jié)到所述的設(shè)定電壓。

輸出電壓調(diào)節(jié)

當(dāng)瞬態(tài)電壓顯著高于LM5085的絕對(duì)最大值時(shí)，適合應(yīng)用這一想法。LM5085是一個(gè)恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制器；因此，其導(dǎo)通時(shí)間（Ton）與VIN成反比。然而，當(dāng)將VIN鉗位到LM5085時(shí)，Ton將不再隨著VIN（至功率級(jí)）的增加而調(diào)整，因?yàn)槠骷⒕哂杏升R納二極管設(shè)置的固定電壓，而VIN（至功率級(jí)）將不斷增大。這將導(dǎo)致頻率下降，因?yàn)楣β始?jí)輸入電壓的增加值超過LM5085的鉗位電壓；因此調(diào)節(jié)電壓可能會(huì)稍微開始增加。因此，為確保以Type 1 紋波注入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定紋波注入電壓的大小。最終，確保紋波被制定在可接受的范圍內(nèi)，以維持穩(wěn)定性及最小化當(dāng)紋波增加時(shí)的輸出誤差。

示例原理圖

圖6所示為絕對(duì)最大VIN額定值為150V的48V電源的示意圖。示例可以在3A條件下提供12VOUT。

圖6：使用LM5085在3A設(shè)計(jì)時(shí)為24V至150VIN（最大）/ 12VOUT

圖7所示為從原型電路板獲得的效率圖，圖中兩大參數(shù)為效率（%）和負(fù)載電流（A）。

圖7：不同輸入電壓下效率（%）與負(fù)載電流（A）的關(guān)系

圖8所示為150VIN時(shí)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓和電感紋波電流。

圖8：通道1開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，通道4電感紋波電流

結(jié)論

您可以在系統(tǒng)輸入電壓高于器件最大輸入電壓額定值的應(yīng)用中使用P通道非同步降壓控制器。該應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)在于使用成本較低的控制器，且最大程度地減少了組件數(shù)量。

審核編輯：郭婷