創(chuàng)造一個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。對此，傳統(tǒng)的解決辦法包括使用昂貴的前端保護或?qū)崿F(xiàn)低端柵極驅(qū)動器件。這意味著采用隔離拓撲，如反激式轉(zhuǎn)換器。隔離拓撲通常需要自定義磁性，且與非隔離方法相比，設(shè)計復(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)輸入電壓的簡易降壓控制器來解決問題。這是如何實現(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，因為開通P通道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)所需的柵極驅(qū)動電壓在VGS低于VIN，P通道降壓控制器具有參考VIN(圖1b)的柵極驅(qū)動電源。關(guān)閉P通道MOSFET則僅需簡單地將柵極電壓變?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

非同步P通道控制器導(dǎo)出其偏置電源以驅(qū)動P通道柵極，可帶來巨大的效益，并且可能實現(xiàn)提供懸浮在0V電位以上的虛擬接地。對于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?這很簡單，通過使用射極跟隨器即可實現(xiàn)。圖3所示為這種方案的基本實踐。PNP發(fā)射極的電位為Vbe(~0.7V)，低于齊納二極管電壓電位(Vz)。實質(zhì)上，您可以將控制器浮動到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，您可以使用一對配對晶體管以實踐圖5所示的電路。一匹配對將反饋信號發(fā)送至VIN;另一匹配對產(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晶體管的饋電實踐的高級原理圖

綜上所述

LM5085是我所述應(yīng)用的理想選擇，因為它是一個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75VIN的輸入電壓。對于輸入瞬態(tài)電壓遠高于75V的應(yīng)用，請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，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的絕對最大值時，適合應(yīng)用這一想法。LM5085是一個恒定導(dǎo)通時間(COT)控制器;因此，其導(dǎo)通時間(Ton)與VIN成反比。然而，當(dāng)將VIN鉗位到LM5085時，Ton將不再隨著VIN(至功率級)的增加而調(diào)整，因為器件將具有由齊納二極管設(shè)置的固定電壓，而VIN(至功率級)將不斷增大。這將導(dǎo)致頻率下降，因為功率級輸入電壓的增加值超過LM5085的鉗位電壓;因此調(diào)節(jié)電壓可能會稍微開始增加。因此，為確保以Type 1 紋波注入標準規(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)紋波增加時的輸出誤差。

示例原理圖

圖6所示為絕對最大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)計時為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(%)和負載電流(A)。

圖7：不同輸入電壓下效率(%)與負載電流(A)的關(guān)系

圖8所示為150VIN時的開關(guān)節(jié)點電壓和電感紋波電流。

圖8：通道1開關(guān)節(jié)點電壓，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。