Amplia entrada de 5 V a 140 V a 12 V, suministro de polarización de 200 mA

Introducción

Los sistemas industriales y automotrices modernos requieren una fuente de voltaje estable incluso cuando el voltaje de entrada del sistema se desplaza de un extremo al otro. En los sistemas automotrices, los arranques en frío, la desactivación/activación de cilindros en sistemas dinámicos de gestión de combustible o grandes cambios en la carga del motor pueden provocar grandes cambios en el voltaje del riel. De manera similar, en aplicaciones industriales, las caídas de voltaje de línea son un problema y los motores de arranque en equipos de alta potencia pueden causar caídas severas de voltaje de entrada.

Incluso cuando los sistemas de conversión de energía no pueden suministrar energía completa a las cargas con entradas de bajo voltaje, muchos de estos sistemas deben permanecer operativos independientemente del nivel de voltaje de entrada. Por ejemplo, los convertidores elevadores y reductores de alto voltaje ampliamente utilizados utilizan MOSFET de alto voltaje con un nivel de puerta estándar. En entradas descendentes, el voltaje de polarización debe permanecer por encima de 10 V para que los controladores de compuerta permanezcan operativos. El comando digital y los sistemas de información crítica deben ser sesgados y funcionales, independientemente de las condiciones de entrada.

Este artículo describe soluciones para mantener voltajes de polarización en sistemas eléctricos en una amplia gama de voltajes de fuente, desde 5 V hasta 140 V.

Descripción y funcionalidad del circuito.

Si no se espera que el voltaje de entrada caiga por debajo del nivel de polarización deseado y el objetivo del diseño es tener un suministro de polarización externo para minimizar la disipación de energía de los reguladores de conmutación, se puede usar un convertidor reductor simple.

Este enfoque se ilustra en la Figura 1. La solución se centra en un regulador reductor de alto voltaje LTC7138 con transistores de conmutación internos. El tren motriz también incluye el inductor L1, el diodo D1 y los capacitores de salida C2 y C3. Para minimizar el perfil de la solución, por debajo de 3 mm, solo se utilizaron condensadores cerámicos en la entrada. También se puede usar un condensador de polarización opcional (por ejemplo, 22 μF 200 V, EMVE201 ARA220MKG5S económico), pero esto aumenta considerablemente la altura del suministro de polarización.

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Figura 1. Diagrama eléctrico del circuito de polarización reductor de alto voltaje que contiene la VEN entre 12,5 V y 140 V y la VAFUERA 12V es a 0.2A.

Este circuito ha sido verificado y probado, y las formas de onda muestran la funcionalidad del circuito que se muestra en la Figura 2. El nivel de voltaje de entrada inicial de 100 V cae a 12 V, pero la salida proporciona 0,2 A del voltaje estable de 12 V para cargar.

Figura 2. Formas de onda del circuito de polarización de alto voltaje basado en Buck, donde la VEN 20 V/div, V esAFUERA La escala de tiempo es 5 V/div y 50 ms/div.

La expectativa de rendimiento para este diseño cambia significativamente si el voltaje de entrada cae por debajo del nivel de polarización deseado. En este caso, no es suficiente usar el convertidor reductor solo, porque el voltaje de salida sigue a la entrada cuando cae por debajo de la salida deseada. La Figura 3 muestra una solución a este problema mediante el uso de un suministro de polarización de dos fases. El primer paso principal es un convertidor reductor de alto voltaje similar al que se muestra en la Figura 1. Su salida está conectada a un convertidor elevador y se basa en un convertidor IC LT8330 con un transistor de potencia integrado. El tren motriz incluye el inductor L2, el diodo D2 y un filtro de salida. La tensión de tensión en los componentes del circuito del convertidor elevador es mucho menor en comparación con la parte delantera reductora, lo que permite una selección de piezas relativamente económica y reduce el costo total.

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Figura 3. Esquema eléctrico de un circuito bifásico de alta tensión que contiene la VEN entre 5 V y 140 V y la VAFUERA 10,5 V a 0,1 A a 0,15 A.

La salida del convertidor reductor en este circuito se establece en 12,5 V. Sin embargo, la salida del convertidor elevador se establece en un voltaje más bajo de 10,5 V, que es suficiente para que la carga funcione correctamente. Los convertidores nunca funcionan al mismo tiempo. Si uno cambia, el segundo no.

En condiciones normales de funcionamiento (VEN > 12,5 V), cuando el voltaje de entrada cambia de 12,5 V a 100 V, solo el convertidor reductor está activo, suministrando 12,5 V a la carga. La corriente fluye al terminal de carga VAFUERA a través del inductor y el diodo del convertidor elevador. Debido a los niveles de corriente relativamente bajos, se pierde muy poco en este camino actual.

Hasta VEN > 12,5 V, el voltaje en la salida del convertidor elevador es de 12,5 V y es mucho mayor que el valor predeterminado de 10,5 V, por lo que no hay acción de conmutación en la sección elevadora y solo el reductor está activo.

Cuando el voltaje de entrada cae al nivel de 12,5 V o menos, el convertidor reductor deja de cambiar, pero mantiene el MOSFET de canal P interno en el estado ENCENDIDO, lo que permite una operación del ciclo de trabajo del 100 %.

Si el voltaje de entrada cae por debajo de 12,5 V, entonces ambos voltajes, Vferrocarril(ferrocarril medio) y VAFUERAcaídaEN nivel. En el 10,5 V < Vferrocarril < 12,5 V rango de riel medio, convertidor reductor y elevador no están conmutados.

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Si el voltaje de entrada continúa cayendo y la Vferrocarril yendo por debajo de 10.5 V, el convertidor elevador se vuelve operativo al mantener VAFUERA a 10,5 V.

La Figura 4 muestra formas de onda que demuestran la funcionalidad de este convertidor. La tensión de entrada mínima de 5,5 V a la corriente de carga es de 0,15 A. La reducción de carga corresponde a 0,1 A para un voltaje de entrada mínimo de 5,0 V, como se muestra en la Figura 5. En la Figura 6 se muestra un aumento en el voltaje de entrada de 5 V a 100 V. En la Figura 7 se muestra una foto del convertidor .

Figura 4. Formas de onda del circuito de polarización de dos fases de alto voltaje. La corriente de carga es de 0,15 A y la escala de tiempo es de 50 ms/div.

Figura 5. Formas de onda del circuito de polarización de dos fases de alto voltaje. La corriente de carga es de 0,1 A y la escala de tiempo es de 50 ms/div.

Figura 6. El voltaje de entrada aumenta la forma de onda. La corriente de carga es de 0,1 A y la escala de tiempo es de 50 ms/div.

Figura 7. Convertidor de pan LTC7138.

Consideraciones básicas en la selección de componentes del convertidor

La tensión de entrada máxima y las corrientes de carga definen la tensión de funcionamiento mínima del amplificador y, por lo tanto, la tensión de entrada mínima de toda la fuente de alimentación.

ecuación1
ecuación2

Suponiendo que VOhyoMÁX.y yo mismoOh como se muestra, entonces el voltaje de refuerzo mínimo se puede describir como

ecuación3
ecuación4

Sin embargo, si VOhVINMÍN.y yo mismoMÁX. dado, la corriente de salida máxima IOh

Conclusión

Es importante mantener los principales sistemas de energía funcionando en una amplia gama de voltajes de entrada. En este artículo se analizan las soluciones a este objetivo. Los circuitos que se muestran aquí generan el nivel de polarización estable a voltajes de entrada de hasta 140 V y hasta 5 V durante las caídas de voltaje de entrada. Un nivel de polarización seguro garantiza el funcionamiento normal de los MOSFET de alto voltaje y los bloques de control. Los esquemas propuestos que utilizan convertidores altamente integrados reducen el número de componentes y el costo total. Se pueden hacer ajustes para minimizar la altura de la solución si la aplicación lo requiere.

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