電源設(shè)計小貼士 30：低壓降壓 IC 讓簡捷、經(jīng)濟(jì)的偏置電源成為現(xiàn)實
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在本《電源設(shè)計小貼士》中，我們將研究一款可將高 AC 輸入電壓轉(zhuǎn)換為可用于電子能量計等應(yīng)用的低 DC 電壓簡單電路。在這種特殊的應(yīng)用中，無需將輸出電壓隔離于輸入電壓。此處，經(jīng)過整流的 AC 輸入電壓可高達(dá) 375 VDC，同時數(shù)百毫安電流時的輸出電壓可在 5 伏以內(nèi)。這些大容量應(yīng)用通常受到成本的推動，因此要求低部件數(shù)量/低成本的電路。步降穩(wěn)壓器提供了一種低成本的解決方案，但在使用高電壓輸入實施時卻充滿挑戰(zhàn)。在連續(xù)模式下，該降壓穩(wěn)壓器的占空比為輸出電壓除以輸入電壓，即 400V 轉(zhuǎn)換到 5V 時占空比為 1.25%。如果我們在 100 kHz 下運行電源，則需要 125 nS 的導(dǎo)通時間，而由于開關(guān)速率限制的存在其通常是不切實際的。
圖 1 低壓降壓 IC 實現(xiàn)了簡單、經(jīng)濟(jì)的偏置電源
圖 1 顯示一款解決占空比問題的一個電路。恒定導(dǎo)通控制器 (U1) 驅(qū)動一個高壓降壓功率級，其包含一個電平轉(zhuǎn)換電路 (Q2, Q3) 驅(qū)動的 P 通道FET (Q4)，以將 400V 轉(zhuǎn)換為 5V。該控制器（我們的例子中使用 TPS64203）是本設(shè)計的關(guān)鍵。它擁有一個低靜態(tài)電流 35 uA），讓轉(zhuǎn)換器能夠以最小的 R2 和 R3 電阻功耗離線啟動。第二個關(guān)鍵因素是其提供短時 (600 nS) 導(dǎo)通柵極驅(qū)動脈沖來將最小開關(guān)頻率（連續(xù)導(dǎo)通模式下）升高至 20 kHz 以上的能力。Q1 用于電平轉(zhuǎn)換柵極驅(qū)動電壓至高端驅(qū)動器。來自 IC 的低壓輸出在 R4 上約為 5 伏，其使 Q1 和 R5 中出現(xiàn)固定電流。通過發(fā)射極輸出器到 P 通道 FET 柵極為 R5 提供電壓。電流也對 C4 充電，以為驅(qū)動電路供電。我們選擇 P 通道 FET 來簡化驅(qū)動電路。如果要使用一個 N 通道，則會要求一種能夠驅(qū)動 FET 柵極至輸入電壓以上來徹底增強器件的方法。
圖 2 MOSFET表現(xiàn)出較好的 ( 50nS) 開關(guān)速度
圖 2 顯示了兩個電路波形，其表明通過簡單的雙極驅(qū)動器可獲得較好的開關(guān)速度。低于 50 nS 的柵極驅(qū)動升降時間產(chǎn)生小于 30 nS 的漏極-開關(guān)時間。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換至 P 通道FET的驅(qū)動電流可以增加速率，代價是更高的功耗。這種電路的效率約為 70%。考慮到功耗水平僅為 4 瓦，從 400V 轉(zhuǎn)換到 5V，并且電路既簡單又便宜的情況，這一效率已經(jīng)不低了。這種設(shè)計的兩個不足是缺少短路和過電壓保護(hù)。但是，這種電路可能代表許多應(yīng)用中一種高性價比的折衷方法。
下次，我們將討論一種在無需研究其內(nèi)部構(gòu)件的情況下測量電源控制環(huán)路相位裕量的方法，敬請期待。
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