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調速器-使用低側PWM IC的降壓轉換器
發布時間 : 2018-06-06 14:20 瀏覽量 : 69

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1使用PWM控制器和MOSFET的典型降壓轉換器


  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。
 

圖2電平移位電路為一個降壓轉換器的高邊FET提供低側控制


  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。
 

圖3另一種降壓轉換器用低側PWM IC控制MOSFET Q1


  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。
 

圖4圖3中降壓轉換器電路的電壓波形顯示為短的上升和下降時間的干凈電壓


  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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