扩展升压稳压器输入、输出电压范围的级联 MOSFET

IC 升压稳压器面向需要将电池电压升高的便携系统应用，它往往有一个能驱动储能电感的输出晶体管。但是，大多数升压稳压器额定的绝对最高输入电压一般不会超过 6V，这种电压足够电池工作。另外，稳压器输出晶体管的击穿电压限制了稳压器的绝对最高输出电压，一般为 25V"30V，这对某些应用而言，可能太低了。 　　可以在电路中外接一个击穿电压高于稳压器的晶体管，就能扩展升压稳压器的输出电压范围。但是，典型升压稳压器控制电路的内部设计往往不允许直接驱动外接晶体管的基极或栅极。所以我们用一种变通方法，即将高电压晶体管外接成级联方式。 　　大多数升压稳压器都有峰值电流控制方法，以降低外接元件数目，从而减小转换器电路占用的整个印制电路板面积。图 1 显示了一款基于 TPS61040 升压控制器（IC1）的升压稳压器，它就使用了峰值电流控制。 　　在 IC1的 VCC脚和电感 L1的一只脚上加上输入电压 VIN，使 IC1的内部 MOSFET 开关Q1 导通，于是逐步增加了从VIN通过 L1、Q1和内部电流检测电阻R1的电流量。当电路内部的控制器监测到检测电阻R1上的电压并达到一个预设的电流限值时，就关断Q1。 　　流过L1电流的中断会升高电感上的电压，使二极管D1正偏，D1导通，为输出电容器C1充电至一个较高电压，这个电压高于单独的输入电压。输入电压、L1的电感以及通过 R1的预设峰值电流都会影响Q1的导通时间、IC1的FB（反馈）脚检测的输出电压，并且其外接元件决定了Q1的关断时间。为了维持运行以及设定Q1的关断时间，IC1的内部控制器必须用Q1和R1监视通过L1的电流。 　　当应用所需输出电压高于内部晶体管的击穿电压时，可以再接一个更高电压的 MOSFET Q2（图 2）。为保持电路通过 L1 和 IC1 的SW 脚的电流路径，要将外接晶体管接成级联方式，或采用共栅级结构。 　　Q2由一个低导通电阻、低栅极电压阈值的 MOSFET 以及Q2栅-源极之间的二极管D2组成。为保证电路的正常运行，VCC（本例中为 5V）必须超过Q2的栅极导通阈值电压。在工作时，IC1的内部控制电路使Q1导通，将Q2源极拉至地电位，5V左右的栅源电势使Q2导通。 　　外接了Q2 以后，电流流经电感L1、外接晶体管Q2、内部晶体管Q1和检测电阻R1，IC1 的控制电路看上去没有什么不同。当电感电流达到预设值时，Q1关断，Q2没有了源极电流的流通路径。Q2 漏极电压快速上升达到所需输出电压与D1 压降之和。随着漏极电压的升高，Q2 的漏-源电容会将 MOSFET 浮动的源电压拉至5V以上，从而使D2正偏，IC1的SW脚电压变成5V与一个二极管压降之和，并将Q2的源极箝位在相同的电压上。 　　图中是一个升压转换器，它从9V电源（V+）为一个激光电路提供4mA 180V输出（VOUT）的偏压。在本应用中，5V输入电源要求能提供足够的电流（通常在数毫安量级），驱动 IC1的内部逻辑和级联MOSFET Q2的栅极。可以用一支降压电阻和齐纳二极管稳压器（图中未显示）从9V获得需要的5V电源。可以用一个公共电源驱动电感和IC1，也可以用一个不超出 Q2额定击穿电压的独立电源驱动电感和IC1。级联电路也可以产生不超出Q2额定击穿电压值的任何输出电压。其它元件则选用相应的额定电压，例如，电感L1和电容C1的额定击穿电压应大于要求的输出电压值。