使用低側PWM IC的降壓轉換器
發布時間：2009-8-4 11:14
發布者：賈延安
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最常見的開關電源結構是降壓轉換器，它能高效地將高電壓轉換為低電壓。圖1給出了一個典型的降壓轉換器，其中N溝道MOSFET Q1需要一個浮柵驅動信號。浮柵驅動是PWM（脈寬調制）控制器IC的一部分。根據控制器的設計，Q1可以是N溝道或者是P溝道。遺憾的是，IC的額定電壓必須與輸入電壓同高，這限制了它可以處理的極限最高電壓。 圖2中的電路采用一個簡單的電壓電平移位器，用一個降壓轉換器控制一個帶低側IC的導通晶體管，該IC有以地為基準的柵極驅動。由于PWM IC中的電平移位電路不用承受大電壓，因此可以實現任意高輸入電壓的轉換器。 帶低側柵極驅動的PWM IC可以為N溝道MOSFET供電，當它們有正的柵源電壓時導通。圖2中的電路使用P溝道器件作高側MOSFET；它在柵源電壓為負時導通。因此，必須將來自PWM控制器的控制信號作反轉。Q2和Q3構成的MOSFET圖騰柱結構也能工作，不過也可以采用一個反相柵極驅動器。 電容C2完成電平移位功能。它的值必須足夠大，從而在開關頻率下維持自己的電荷，而其電壓又要足夠小，跟得上輸入電壓的變化。電阻R1 和P溝道MOSFET Q3將C2充電至電壓VC=VIN–VCC，其中VC是C2的電壓，VIN是輸入電壓，而VCC是Q2和Q3圖騰柱結構及PWM IC的供電電壓。供電電壓必須低于齊納二極管D2的擊穿電壓。另外，每當Q2導通時電流都會流經D2和C2，降低了效率。D2將C2的電壓限制在上式中的值。當Q3導通時，如果試圖升壓則D2變為正偏。當Q3導通時，該電路在Q1柵源極之間施加的電壓為0V，當Q2導通時加的電壓為–VCC。 電阻R1亦確保了Q1柵源電容的放電，當圖騰柱輸出電壓為高時，它保持Q1的關斷。二極管D2將Q1的柵源電壓限制在12V，無論電路輸入電壓是多少。電容C2對Q1的柵極驅動脈沖是透明的，因此電路的柵極驅動能力與圖騰柱電路本身一樣好。因此，電平移位對于電路可以驅動的MOSFET 大小沒有限制。 圖3表示一個采用這種方案的實際降壓轉換器。轉換器的輸入電壓為18V~45V，其輸出電壓在1.5A輸出電流時為12V。轉換器使用美國國家半導體公司的LM5020-1反激/升壓/正激/SEPIC（單端初級電感轉換器）PWM控制IC。 圖中保留了為前圖而設計的元件，但增加了一些功能，如C9的輸入電壓過濾，R2和R7的輸入欠壓鎖定，C3的軟起動功能，12.7 kΩ R3的500 kHz開關頻率設置功能，C7、C8和R6的反饋補償，以及R9和R10的輸出電壓設置。 LM5020-1提供了電流模式控制，但在本電路中，它采用的是電壓模式控制。一個峰值為50μA的內部鋸齒波電流源用于電壓的斜升，為一個電流信號增加斜率補償。這個電流流經5.11kΩ電阻R4和一個2kΩ的內部電阻，在CS腳（Pin 8）產生一個50μA × （2kΩ + 5.11kΩ）≈ 300 mV的峰峰值電壓。COMP腳（Pin3）將這個鋸齒波與COMP腳的輸出誤差電壓作比較，為Q1生成正確的占空比信號。 圖 4是電路的開關波形。示波器通道1（下方曲線）表示LM5020-1生成的柵極驅動信號。通道2（中間曲線）表示相應的圖騰柱輸出電壓。通道3（上方曲線）表示Q1柵源之間的電平轉換后圖騰柱輸出電壓。Q1柵源電壓的峰值等于輸入電壓，其波幅大約為8V，即LM5020-1內部產生的供電信號值。所有波形都很清晰，上升與下降時間均很短。該電路的滿負荷效率在輸入電壓為18V和45V時分別為86%和83%。 |
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