5V至140V宽输入至12V、200mA偏置电源

现代汽车和工业系统需要稳定的电压源，即使系统输入电压从一个极端扫描到另一个极端。在汽车系统中，冷启动启动、动态燃油管理系统中的气缸停用/激活或发动机负载发生显著变化，都可能导致显著的轨道电压变化。同样，在工业应用中，线路掉电也是一个问题，高功率设备中电机的接通会导致输入电压严重下降。

即使电源转换系统无法在低压输入下为负载提供全功率，无论输入电压电平如何，其中许多系统都必须保持运行。例如，广泛使用的高压升压和降压转换器采用具有标准栅极电平的高压MOSFET。在输入压差时，偏置电压应保持在10 V以上，以保持栅极驱动器正常工作。无论输入条件如何，关键数字控制和信息系统都应该偏置且功能正常。

本文介绍在5 V至140 V宽源电压范围内保持电气系统中偏置电压的解决方案。

电路描述和功能

如果预计输入电压不会低于理想的偏置电平，并且设计目标是使用外部偏置电源以最大限度地降低开关控制器的功耗，则可以采用简单的降压转换器。

图 1 说明了此方法。该解决方案以具有内部开关晶体管的高电压降压控制器LTC7138为中心。动力传动系还包括电感L1、二极管D1以及输出电容C2和C3。为了将解决方案曲线降至3 mm以下，输入端仅使用陶瓷电容器。也可以使用可选的极化电容（例如，经济高效的22 μF 200 V，EMVE201 ARA220MKG5S），但它大大增加了偏置电源的高度。

图1.高压、基于降压的偏置电路电气原理图，其中V型在电压为 12.5 V 至 140 V，V外0.2 A 时为 12 V。

该电路经过验证和测试，波形说明了图2所示电路的功能。100 V的初始输入电压电平降至12 V，但输出为负载提供0.2 A的稳定12 V电压。

图2.高电压、基于降压的偏置电路波形，其中V为V在为 20 V/格，V外为 5 V/格，时间刻度为 50 ms/格。

如果输入电压降至所需偏置电平以下，该设计的性能前景将显著变化。在这种情况下，仅使用降压转换器是不够的，因为当输出电压低于所需输出时，输出电压会跟随输入。图3显示了使用双级偏置电源的此问题的解决方案。第一级是高压降压转换器，如图1所示。它的输出连接到升压转换器，并基于集成功率晶体管的LT8330转换器IC。动力传动系包括电感L2、二极管D2和一个输出滤波器。与降压前端相比，升压转换器电路中元件上的电压应力要低得多，这允许选择相对便宜的器件并降低总体成本。

图3.高压、基于双级的电路电气原理图，其中V型在为 5 V 至 140 V，V外0.1 A 至 0.15 A 时为 10.5 V。

本电路中降压转换器的输出设置为12.5 V。但是，升压转换器的输出设置为10.5 V的较低电压，足以使负载正常工作。转换器永远不会同时运行。如果一个正在切换，第二个则不是。

在正常工作条件下（V在> 12.5 V），当输入电压从12.5 V变为100 V时，只有降压转换器处于活动状态，为负载提供12.5 V。电流流向负载端子 V外通过升压转换器的电感和二极管。由于电流水平相对较低，因此该电流路径中的损耗最小。

只要V在>12.5 V时，升压转换器输出端的电压为12.5 V，远远超过预设值10.5 V，因此升压部分没有开关动作，只有降压处于活动状态。

当输入电压降至12.5 V或以下时，降压转换器停止开关，但使内部P沟道MOSFET保持导通状态，从而实现100%占空比工作。

如果输入电压低于 12.5 V，则两个电压 V轨（中间导轨）和 V外，落到 V在水平。在 10.5 V < V轨<中间轨的12.5 V范围内，转换器的降压和升压都不会开关。

如果输入电压继续下降并且 V轨电平降至 10.5 V 以下，升压转换器开始工作，保持 V外在 10.5 V 时。

图4显示了说明该转换器功能的波形。负载电流下的最小输入电压为5.5 V，负载降至0.1 A相当于最小输入电压5.0 V，如图5所示。输入电压从5 V上升到100 V如图6所示。转换器的照片如图7所示。

图4.基于双级的高压偏置电路波形。负载电流为 0.15 A，时间刻度为 50 ms/div。

图5.基于双级的高压偏置电路波形。负载电流为0.1 A，时间标度为50 ms/格。

图6.输入电压上升波形。负载电流为0.1 A，时间标度为50 ms/格。

图7.LTC7138 转换器试验板。

选择转换器组件的基本考虑因素

最大输入电压和负载电流定义了升压的最小工作输入电压，相应地定义了整个电源的最小输入电压。

假设 VO我.MAX，和我O如给定的，则升压最小电压可以描述为

但是，如果 VO， VIN最低，和我.MAX给出，最大输出电流IO是

结论

保持主要电源系统在宽输入电压范围内运行非常重要。本文讨论此目标的解决方案。本文介绍的电路在输入电压高达140 V时产生稳定的偏置电平，在输入电压下降期间低至5 V。安全的偏置电平保证了高压 MOSFET 和控制模块的正常工作。所提出的方案使用高度集成的转换器，减少了元件数量和总体成本。如果应用需要，可以进行调整以最小化解决方案高度。

审核编辑：郭婷