《電子技術(shù)應(yīng)用》
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新穎的想法:創(chuàng)造一個(gè)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(guò)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
2018-01-05

在如今的許多應(yīng)用中,,要求的額定輸入電壓超過(guò)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)洌绶醇な睫D(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(guò)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(lái)解決問(wèn)題,。這是如何實(shí)現(xiàn)的呢,?

降壓控制器通常來(lái)源于參考電位(0V)的偏置電源(圖1a)。偏置電源來(lái)自輸入電壓,;因此,,器件需要承受全部的VIN電位。然而,,因?yàn)殚_(kāi)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),。

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 圖1:N通道(a)的VCC偏置生成,;和P通道控制器(b)

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 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(lái)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(lái)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(wèn)題。要打開(kāi)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(guò)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,。

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 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(shuō)明了具體的挑戰(zhàn)。

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 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,。

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 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(kāi)始,,使用電流將反饋(Ifb)設(shè)置為1mA,,使用公式1計(jì)算Rfb值:

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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:

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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(guò)LM5085的鉗位電壓;因此調(diào)節(jié)電壓可能會(huì)稍微開(kāi)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,。

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 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),。

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 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(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓和電感紋波電流,。

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 圖8:通道1開(kāi)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。關(guān)于降壓轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的設(shè)計(jì)指導(dǎo),請(qǐng)參見(jiàn)LM5085數(shù)據(jù)表中的應(yīng)用信息,。

 


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