5V至140V寬輸入至12V、200mA偏置電源

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掃描到另一個極端。在汽車系統(tǒng)中，冷啟動啟動、動態(tài)燃油管理系統(tǒng)中的氣缸停用/激活或發(fā)動機負載發(fā)生顯著變化，都可能導致顯著的軌道電壓變化。同樣，在工業(yè)應用中，線路掉電也是一個問題，高功率設備中電機的接通會導致輸入電壓嚴重下降。

即使電源轉換系統(tǒng)無法在低壓輸入下為負載提供全功率，無論輸入電壓電平如何，其中許多系統(tǒng)都必須保持運行。例如，廣泛使用的高壓升壓和降壓轉換器采用具有標準柵極電平的高壓MOSFET。在輸入壓差時，偏置電壓應保持在10 V以上，以保持柵極驅動器正常工作。無論輸入條件如何，關鍵數(shù)字控制和信息系統(tǒng)都應該偏置且功能正常。

本文介紹在5 V至140 V寬源電壓范圍內保持電氣系統(tǒng)中偏置電壓的解決方案。

電路描述和功能

如果預計輸入電壓不會低于理想的偏置電平，并且設計目標是使用外部偏置電源以最大限度地降低開關控制器的功耗，則可以采用簡單的降壓轉換器。

圖 1 說明了此方法。該解決方案以具有內部開關晶體管的高電壓降壓控制器LTC7138為中心。動力傳動系還包括電感L1、二極管D1以及輸出電容C2和C3。為了將解決方案曲線降至3 mm以下，輸入端僅使用陶瓷電容器。也可以使用可選的極化電容（例如，經(jīng)濟高效的22 μF 200 V，EMVE201 ARA220MKG5S），但它大大增加了偏置電源的高度。

圖1.高壓、基于降壓的偏置電路電氣原理圖，其中V型在電壓為 12.5 V 至 140 V，V外0.2 A 時為 12 V。

該電路經(jīng)過驗證和測試，波形說明了圖2所示電路的功能。100 V的初始輸入電壓電平降至12 V，但輸出為負載提供0.2 A的穩(wěn)定12 V電壓。

圖2.高電壓、基于降壓的偏置電路波形，其中V為V在為 20 V/格，V外為 5 V/格，時間刻度為 50 ms/格。

如果輸入電壓降至所需偏置電平以下，該設計的性能前景將顯著變化。在這種情況下，僅使用降壓轉換器是不夠的，因為當輸出電壓低于所需輸出時，輸出電壓會跟隨輸入。圖3顯示了使用雙級偏置電源的此問題的解決方案。第一級是高壓降壓轉換器，如圖1所示。它的輸出連接到升壓轉換器，并基于集成功率晶體管的LT8330轉換器IC。動力傳動系包括電感L2、二極管D2和一個輸出濾波器。與降壓前端相比，升壓轉換器電路中元件上的電壓應力要低得多，這允許選擇相對便宜的器件并降低總體成本。

圖3.高壓、基于雙級的電路電氣原理圖，其中V型在為 5 V 至 140 V，V外0.1 A 至 0.15 A 時為 10.5 V。

本電路中降壓轉換器的輸出設置為12.5 V。但是，升壓轉換器的輸出設置為10.5 V的較低電壓，足以使負載正常工作。轉換器永遠不會同時運行。如果一個正在切換，第二個則不是。

在正常工作條件下（V在> 12.5 V），當輸入電壓從12.5 V變?yōu)?00 V時，只有降壓轉換器處于活動狀態(tài)，為負載提供12.5 V。電流流向負載端子 V外通過升壓轉換器的電感和二極管。由于電流水平相對較低，因此該電流路徑中的損耗最小。

只要V在>12.5 V時，升壓轉換器輸出端的電壓為12.5 V，遠遠超過預設值10.5 V，因此升壓部分沒有開關動作，只有降壓處于活動狀態(tài)。

當輸入電壓降至12.5 V或以下時，降壓轉換器停止開關，但使內部P溝道MOSFET保持導通狀態(tài)，從而實現(xiàn)100%占空比工作。

如果輸入電壓低于 12.5 V，則兩個電壓 V軌（中間導軌）和 V外，落到 V在水平。在 10.5 V < V軌<中間軌的12.5 V范圍內，轉換器的降壓和升壓都不會開關。

如果輸入電壓繼續(xù)下降并且 V軌電平降至 10.5 V 以下，升壓轉換器開始工作，保持 V外在 10.5 V 時。

圖4顯示了說明該轉換器功能的波形。負載電流下的最小輸入電壓為5.5 V，負載降至0.1 A相當于最小輸入電壓5.0 V，如圖5所示。輸入電壓從5 V上升到100 V如圖6所示。轉換器的照片如圖7所示。

圖4.基于雙級的高壓偏置電路波形。負載電流為 0.15 A，時間刻度為 50 ms/div。

圖5.基于雙級的高壓偏置電路波形。負載電流為0.1 A，時間標度為50 ms/格。

圖6.輸入電壓上升波形。負載電流為0.1 A，時間標度為50 ms/格。

圖7.LTC7138 轉換器試驗板。

選擇轉換器組件的基本考慮因素

最大輸入電壓和負載電流定義了升壓的最小工作輸入電壓，相應地定義了整個電源的最小輸入電壓。

假設 VO我.MAX，和我O如給定的，則升壓最小電壓可以描述為

但是，如果 VO， VIN最低，和我.MAX給出，最大輸出電流IO是

結論

保持主要電源系統(tǒng)在寬輸入電壓范圍內運行非常重要。本文討論此目標的解決方案。本文介紹的電路在輸入電壓高達140 V時產(chǎn)生穩(wěn)定的偏置電平，在輸入電壓下降期間低至5 V。安全的偏置電平保證了高壓 MOSFET 和控制模塊的正常工作。所提出的方案使用高度集成的轉換器，減少了元件數(shù)量和總體成本。如果應用需要，可以進行調整以最小化解決方案高度。

審核編輯：郭婷