新颖的想法:创造一个带有较低额定输入电压控制器的 150V 非同步降压解决方案

时间:2017-12-27 11:58来源:21Dianyuan

摘要:在如今的许多应用中,要求的额定输入电压超过许多现有DCDC控制器的VIN最大额定值。对此,传统的解决办法包括使用昂贵的前端保护或实现低端栅极驱动器件。

在如今的许多应用中,要求的额定输入电压超过许多现有 DC/DC 控制器的 VIN 最大额定值。对此,传统的解决办法包括使用昂贵的前端保护或实现低端栅极驱动器件。这意味着采用隔离拓扑,如反激式转换器。隔离拓扑通常需要自定义磁性,且与非隔离方法相比,设计复杂性和成本也有所增加。

存在着另一种解决方案,可以通过使用 VIN max(最大输入电压)小于系统输入电压的简易降压控制器来解决问题。这是如何实现的呢?

降压控制器通常来源于参考电位(0V)的偏置电源(图1a)。偏置电源来自输入电压;因此,器件需要承受全部的 VIN 电位。然而,因为开通 P 通道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)所需的栅极驱动电压在 VGS 低于 VIN,P 通道降压控制器具有参考 VIN(图1b)的栅极驱动电源。关闭 P 通道 MOSFET 则仅需简单地将栅极电压变为 VIN(0V VGS)(图2)。
 
1通道 (a) 的 VCC 偏置生成;和 通道控制器 (b)
 
2通道控制器的栅极驱动
 
非同步 P 通道控制器导出其偏置电源以驱动 P 通道栅极,可带来巨大的效益,并且可能实现提供悬浮在 0V 电位以上的虚拟接地。对于 N 通道高侧 MOSFET,电压来自接地的参考电源。这是使用升压电容器和二极管泵送的电荷,以提供高于 VIN 源极电位的栅极电压。使用 P 通道高侧 MOSFET 可以显著简化该问题。要打开 P 通道 MOSFET,栅极电位需要低于 VIN 的源极电位。因此,电源仅参考 VIN,而非上面提到的 VIN 和接地。

浮接地
如何为控制器创建悬浮接地?这很简单,通过使用射极跟随器即可实现。图3所示为这种方案的基本实践。PNP 发射极的电位为 Vbe(~0.7V),低于齐纳二极管电压电位(Vz)。实质上,您可以将控制器浮动到 VIN,并调节控制器的参考值,以限制 VIN与器件接地之间的电压。
 
3:使用简易射极跟踪器方案创建虚拟接地
 
输出电压转换
这里有一项挑战需要克服。由于控制器位于虚拟接地(Vz-Vbe),并产生参考接地(0V)电位的降压输出电压,因此如何才能将输出电压信号转换为位于虚拟接地上方的反馈电压(通常介于 0.8V 和 1.25V 之间)?图4说明了具体的挑战。
 
4:展示 VOUT(参考 0V 接地)与控制器的反馈电压(参考虚拟接地)之间电压电位差的示意图
 
要关闭环路,您可以使用一对配对晶体管以实践图5所示的电路。一匹配对将反馈信号发送至 VIN;另一匹配对产生从 VIN 到虚拟接地之上电位的电流。
 
5:非同步控制器和使用配对晶体管的馈电实的高级原理图
 
综上所述
LM5085 是我所述应用的理想选择,因为它是一个 P 通道非同步控制器,其 VCC 偏置电源参考VIN。在传统应用中,LM5085 可承受高达 75VIN 的输入电压。对于输入瞬态电压远高于 75V 的应用,请考虑此处提出的解决方案,该输出为 12V。
 
从控制器反馈电压 1.25V 开始,使用电流将反馈(Ifb)设置为1mA,使用公式1计算 Rfb 值:
 
 
式中,Rfb = 1.25k。
Rfb1 设置电流镜的参考电流。再次以 1mA 作为参考电流,并使用公式2,计算 Rfb1,以设置输出电压: 
 
 
式中,VOUT = 12V,Rfb1 = 11.3k,Vbe为~0.7V。

当 1mA 流入 Rfb2 且发射极电流大致等于集电电流(Ie〜Ic)时,设置参考电流 Iref2。环路闭合,且电压将调节到所述的设定电压。
 
输出电压调节
当瞬态电压显著高于 LM5085 的绝对最大值时,适合应用这一想法。LM5085 是一个恒定导通时间(COT)控制器;因此,其导通时间(Ton)与 VIN 成反比。然而,当将 VIN 钳位到 LM5085 时,Ton 将不再随着 VIN(至功率级)的增加而调整,因为器件将具有由齐纳二极管设置的固定电压,而 VIN(至功率级)将不断增大。这将导致频率下降,因为功率级输入电压的增加值超过 LM5085 的钳位电压;因此调节电压可能会稍微开始增加。因此,为确保以 Type 1 纹波注入标准规定纹波注入电压的大小。最终,确保纹波被制定在可接受的范围内,以维持稳定性及最小化当纹波增加时的输出误差。
 
示例原理图
图6所示为绝对最大 VIN 额定值为 150V 的 48V 电源的示意图。示例可以在 3A 条件下提供 12VOUT
 
6:使用 LM5085 在 3A 设计时为 24V 至 150VIN(最大)/ 12VOUT 
 
图7所示为从原型电路板获得的效率图,图中两大参数为效率(%)和负载电流(A)。
 
7不同输入电压下效率(%)与负载电流(A)的关系
 
图8所示为 150VIN 时的开关节点电压和电感纹波电流。
 
8:通道1开关节点电压,通道4电感纹波电流
 
结论
您可以在系统输入电压高于器件最大输入电压额定值的应用中使用 P 通道非同步降压控制器。该应用的优点在于使用成本较低的控制器,且最大程度地减少了组件数量。关于降压转换器功率级的设计指导,请参见 LM5085 数据表中的应用信息。
 
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