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)輸入電壓從一個極端變到另一個極端，電壓源也須保持穩(wěn)定。在汽車系統(tǒng)中，冷啟動、動態(tài)燃油管理系統(tǒng)中的氣缸停用/激活或發(fā)動機負載顯著改變可能會導致輸入電壓發(fā)生明顯變化。同樣，在工業(yè)應用中，線路電壓不足是一個問題，大功率設備的電機開啟會導致輸入電壓嚴重下降。

即便電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)無法在低壓輸入下為負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)換器采用具有標準柵極電平的高壓MOSFET。當輸入下降時，偏置電壓應保持在10 V以上，以使柵極驅(qū)動器維持正常工作。無論輸入條件如何，關鍵的數(shù)字控制和信息系統(tǒng)都應具有偏置電壓并保持運作。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

如果預計輸入電壓不會降至所需的偏置電平以下，并且設計目標是使用外部偏置電源來最大程度地降低開關控制器的功耗，那么可以采用簡單的降壓轉(zhuǎn)換器。

圖1顯示了這種方法。解決方案的重點是帶有內(nèi)部開關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（例如高性價比22 μF200 V EMVE201 ARA220MKG5S），但它會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 ，時間標尺為 50 ms/div 。

如果輸入電壓降至所需的偏置電平以下，此設計的性能展望將發(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，因為當輸入降至所需的輸出以下時，輸出電壓會跟隨輸入。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)換器輸出設置為12.5V。但是，升壓轉(zhuǎn)換器的輸出設置為10.5 V的較低電壓，足以使負載正常工作。轉(zhuǎn)換器永遠不會同時工作。如果一個正在切換，另一個就不會切換

在正常工作條件下(VIN > 12.5 V)，當輸入電壓從12.5 V變?yōu)?00 V時，只有降壓轉(zhuǎn)換器處于工作狀態(tài)，為負載提供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，遠超過預設值10.5 V，因此升壓部分無開關動作，僅降壓部分有效。

當輸入電壓降至12.5 V或更低時，降壓轉(zhuǎn)換器停止切換，但內(nèi)部P溝道MOSFET保持導通狀態(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。負載電流為0.15A時，最小輸入電壓為5.5 V。負載降低至0.1 A時，對應的最小輸入電壓為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。負載電流為 0.15 A ，時間標尺為 50 ms/div 。

圖 5. 高壓雙級偏置電路波形。負載電流為 0.1 A ，時間標尺為 50 ms/div 。

圖 6. 輸入電壓上升波形。負載電流為 0.1 A ，時標為 50 ms/div 。

圖 7. LTC7138 轉(zhuǎn)換器試驗板。

轉(zhuǎn)換器選型的基本注意事項

最大輸入電壓和負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)運行很重要。本文討論了實現(xiàn)此目標的解決方案。在最高140 V、最低5 V的輸入電壓范圍內(nèi)，當輸入電壓下降時，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。如果應用需要，可以進行調(diào)整以使解決方案高度最小。

編輯：hfy