使用低侧PWM IC的降压转换器

最常见的开关电源结构是降压转换器，它能高效地将高电压转换为低电压。图1给出了一个典型的降压转换器，其中N沟道MOSFET Q1需要一个浮栅驱动信号。浮栅驱动是PWM（脉宽调制）控制器IC的一部分。根据控制器的设计，Q1可以是N沟道或者是P沟道。遗憾的是，IC的额定电压必须与输入电压同高，这限制了它可以处理的极限最高电压。



　　图2中的电路采用一个简单的电压电平移位器，用一个降压转换器控制一个带低侧IC的导通晶体管，该IC有以地为基准的栅极驱动。由于PWM IC中的电平移位电路不用承受大电压，因此可以实现任意高输入电压的转换器。



　　带低侧栅极驱动的PWM IC可以为N沟道MOSFET供电，当它们有正的栅源电压时导通。图2中的电路使用P沟道器件作高侧MOSFET；它在栅源电压为负时导通。因此，必须将来自PWM控制器的控制信号作反转。Q2和Q3构成的MOSFET图腾柱结构也能工作，不过也可以采用一个反相栅极驱动器。



　　电容C2完成电平移位功能。它的值必须足够大，从而在开关频率下维持自己的电荷，而其电压又要足够小，跟得上输入电压的变化。电阻R1 和P沟道MOSFET Q3将C2充电至电压VC=VIN–VCC，其中VC是C2的电压，VIN是输入电压，而VCC是Q2和Q3图腾柱结构及PWM IC的供电电压。供电电压必须低于齐纳二极管D2的击穿电压。另外，每当Q2导通时电流都会流经D2和C2，降低了效率。D2将C2的电压限制在上式中的值。当Q3导通时，如果试图升压则D2变为正偏。当Q3导通时，该电路在Q1栅源极之间施加的电压为0V，当Q2导通时加的电压为–VCC。



　　电阻R1亦确保了Q1栅源电容的放电，当图腾柱输出电压为高时，它保持Q1的关断。二极管D2将Q1的栅源电压限制在12V，无论电路输入电压是多少。电容C2对Q1的栅极驱动脉冲是透明的，因此电路的栅极驱动能力与图腾柱电路本身一样好。因此，电平移位对于电路可以驱动的MOSFET 大小没有限制。

　　图3表示一个采用这种方案的实际降压转换器。转换器的输入电压为18V~45V，其输出电压在1.5A输出电流时为12V。转换器使用美国国家半导体公司的LM5020-1反激/升压/正激/SEPIC（单端初级电感转换器）PWM控制IC。

　　图中保留了为前图而设计的元件，但增加了一些功能，如C9的输入电压过滤，R2和R7的输入欠压锁定，C3的软起动功能，12.7 kΩ R3的500 kHz开关频率设置功能，C7、C8和R6的反馈补偿，以及R9和R10的输出电压设置。

　　LM5020-1提供了电流模式控制，但在本电路中，它采用的是电压模式控制。一个峰值为50μA的内部锯齿波电流源用于电压的斜升，为一个电流信号增加斜率补偿。这个电流流经5.11kΩ电阻R4和一个2kΩ的内部电阻，在CS脚（Pin 8）产生一个50μA × （2kΩ + 5.11kΩ）≈ 300 mV的峰峰值电压。COMP脚（Pin3）将这个锯齿波与COMP脚的输出误差电压作比较，为Q1生成正确的占空比信号。

　　图 4是电路的开关波形。示波器通道1（下方曲线）表示LM5020-1生成的栅极驱动信号。通道2（中间曲线）表示相应的图腾柱输出电压。通道3（上方曲线）表示Q1栅源之间的电平转换后图腾柱输出电压。Q1栅源电压的峰值等于输入电压，其波幅大约为8V，即LM5020-1内部产生的供电信号值。所有波形都很清晰，上升与下降时间均很短。该电路的满负荷效率在输入电压为18V和45V时分别为86%和83%。