不能選專用雙極性電源IC時(shí)如何利用降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生雙極性電源

作者：Victor Khasiev

ADI?

臺(tái)式電源(PS)往往有偶數(shù)個(gè)端口（忽略機(jī)箱端口）：一個(gè)正端口和一個(gè)負(fù)端口。使用臺(tái)式電源產(chǎn)生正極性輸出很容易：將負(fù)輸出設(shè)置為GND，將正輸出電壓設(shè)置為正輸出。產(chǎn)生負(fù)電源同樣容易，只需將上述設(shè)置反轉(zhuǎn)。但是，如何生產(chǎn)雙極性電源，負(fù)載可以同時(shí)使用正電壓和負(fù)電壓？相對而言，這也很簡單—只需將一個(gè)實(shí)驗(yàn)室通道的正端口連接到另一個(gè)通道的負(fù)端口，并稱其為GND。另外兩個(gè)端口（正和負(fù)）分別就是正負(fù)電源。結(jié)果得到一個(gè)三端口雙極性電源，提供GND、正和負(fù)電壓電平。由于使用了三個(gè)端口，因此在電源下游的正電源和負(fù)電源之間必須進(jìn)行某種切換。

如果應(yīng)用要求同一電源端口為正或負(fù)（僅向負(fù)載提供兩個(gè)端口的設(shè)置），該怎么辦？這不是一個(gè)純學(xué)術(shù)問題。在汽車和工業(yè)環(huán)境中，有些應(yīng)用需要雙極性、可調(diào)節(jié)的雙端口電源。例如，從具異國風(fēng)情的玻璃貼膜到測試測量設(shè)備，這些應(yīng)用會(huì)使用雙端口雙極性電源。

如前所述，傳統(tǒng)雙極性電源使用三個(gè)輸出端口產(chǎn)生兩路輸出：正、負(fù)和GND。相比之下，單路輸出電源應(yīng)僅配備兩個(gè)輸出端口：一個(gè) GND和另一個(gè)可以為正也可以為負(fù)的輸出端口。在此類應(yīng)用中，輸出電壓可以通過單個(gè)控制信號(hào)在從最小負(fù)值到最大正值的全部范圍內(nèi)相對于GND調(diào)節(jié)。

有些控制器專門用于實(shí)現(xiàn)雙極性電源功能，例如雙極性輸出同步 控制器?LT8714。然而，對于許多汽車和工業(yè)制造商而言，對專用IC 進(jìn)行測試和認(rèn)證需要一些時(shí)間和金錢上的投入。相比之下，許多制造商已經(jīng)擁有預(yù)認(rèn)證的降壓轉(zhuǎn)換器和控制器，因?yàn)闊o數(shù)汽車和工業(yè)應(yīng)用中都會(huì)用到這些器件。本文介紹在不能選擇專用雙極性電源IC時(shí)如何利用降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生雙極性電源。

電路描述及功能

圖1顯示了基于降壓轉(zhuǎn)換器的雙極性（二象限）可調(diào)電源解決方案。輸入電壓范圍為12 V至15 V；輸出為±10 V范圍內(nèi)的任何電壓， 由控制塊調(diào)節(jié)，支持高達(dá)6 A的負(fù)載。雙路輸出降壓控制器IC是此設(shè)計(jì)的核心器件。每個(gè)降壓–升壓拓?fù)溥B接的一路輸出產(chǎn)生穩(wěn)定的-12 V電壓（即圖1中的-12 V負(fù)軌，其功率鏈路包括L2、Q2、Q3和 輸出濾波器CO2)。

圖1. 兩端子、雙極性、可調(diào)節(jié)電源的電氣原理圖

-12 V電壓軌用作第二通道的接地，控制器的接地引腳也連接到-12 V 電壓軌?？偟膩碚f，這是一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓為-12 V和 VIN之間的差值。輸出可調(diào)，相對于GND可正可負(fù)。請注意，相對于-12 V電壓軌，輸出始終為正，其功率鏈路包括L1、Q1、Q4和 CO1。 反饋電阻分壓器 RB–RA?設(shè)置最大輸出電壓。該分壓器的值由輸出電壓控制電路調(diào)節(jié)，此電路可通過向 RA注入電流來將輸出調(diào)節(jié)至最小輸出電壓（負(fù)輸出）。應(yīng)用啟動(dòng)特性由RUN和TRACK/SS引腳的端接電阻設(shè)置。

兩路輸出均在強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式下工作。在輸出控制電路中，0μA 至200μA電流源 ICTRL在實(shí)驗(yàn)室測試時(shí)連接到負(fù)軌，但也可以GND為 基準(zhǔn)。低通濾波器 RF1–CF?可降低快速輸出瞬變。為了縮減轉(zhuǎn)換器的成本和尺寸，使用相對便宜的極化電容形成輸出濾波器。可選 二極管D1和D2用于防止這些電容上產(chǎn)生反向電壓，尤其是在啟動(dòng)時(shí)。如果僅使用陶瓷電容，則不需要二極管。

轉(zhuǎn)換器測試和評估

本解決方案基于?LTC3892?和評估套件?DC1998A?與?DC2493A進(jìn)行過測試和評估。該轉(zhuǎn)換器在眾多測試中表現(xiàn)良好，包括電壓和負(fù)載調(diào)整、瞬態(tài)響應(yīng)以及輸出短路。圖2顯示了啟動(dòng)至6 A負(fù)載、輸出為+10 V的情況?？刂齐娏骱洼敵鲭妷褐g的函數(shù)線性度如圖3所示。隨著控制電流從0μA增加到200μA，輸出電壓從+10 V降至-10 V。圖4顯示了效率曲線。

圖2. 進(jìn)入電阻負(fù)載的啟動(dòng)波形

圖3. VOUT?與控制電流 ICTRLL的關(guān)系。當(dāng) ICTRL?從0 A增加到200μA時(shí)，輸出電壓從+10 V降至-10 V。

圖4. 正負(fù)輸出的效率曲線

我們開發(fā)了該雙極性、雙端子電源的?LTspice??模型，以簡化該方法的采用，允許設(shè)計(jì)人員分析和仿真上述電路，引入變化，查看波形，以及研究器件應(yīng)力。

描述此拓?fù)涞幕竟胶捅磉_(dá)式

這種方法基于設(shè)計(jì)的降壓–升壓部分產(chǎn)生的負(fù)電壓軌 VNEG。

其中， VOUT?為最大輸出電壓的絕對值， Km?為0.1到0.3的系數(shù)。 Km?限制 降壓轉(zhuǎn)換器的最小占空比。 VNEG?還設(shè)置 VIN的最小值：

其中 VBUCK?為降壓部分的輸入電壓，因而表示轉(zhuǎn)換器半導(dǎo)體器件上的最大電壓應(yīng)力：

VBUCK(MAX)?和?VBUCK(MIN)?分別為該拓?fù)涞慕祲翰糠值淖畲蠛妥钚‰妷?。降壓部分的最大和最小占空比以及電感電流可用以下表達(dá)式描述，其中 IOUT為輸出電流：

電源降壓–升壓部分的占空比：

降壓部分的輸入功率以及相應(yīng)的降壓–升壓輸出功率：

轉(zhuǎn)換器功率和輸入電流：

輸出電壓變化是通過將電流注入降壓部分的反饋電阻分壓器來實(shí)現(xiàn)的。圖1的輸出電壓控制電路部分顯示了如何設(shè)置輸出電壓控制。

如果給定 RB?，那么

其中 VFB?為反饋引腳電壓。

當(dāng)電流源 ICTRL?L將零電流注入 RA時(shí), 降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是相對于負(fù)軌的最大正值 (VBUCK(MAX)) 和相對于GND的最大輸出電壓 (+ VOUT)。 為了給負(fù)載產(chǎn)生負(fù)輸出電壓（相對于GND），須將?I注入降壓分壓器的電阻RA，使輸出電壓降至相對于負(fù)輸出電壓(–VOUT)的最小值 VBUCK(MIN)。

數(shù)值示例

通過使用前面的公式，我們可以計(jì)算雙極性電源的電壓應(yīng)力、流過功率鏈路器件的電流以及控制電路的參數(shù)。例如，以下計(jì)算是針對一個(gè)從14 V輸入電壓產(chǎn)生6 A、±10 V輸出的電源。

如果 Km?為0.2，則 VNEG?= –12 V。驗(yàn)證最小輸入電壓 VIN?≥ | VNEG?|的條件。 半導(dǎo)體器件 VBUCK上的電壓應(yīng)力為26 V。

降壓部分的最大電壓為 VBUCK(MAX)?= 22 V，相對于負(fù)電壓軌；輸出電 壓設(shè)置為+10 V，相對于GND。最小電壓 VBUCK(MIN)?= 2 V,對應(yīng)于-10 V （相對于GND）的輸出電壓。這些最大和最小電壓對應(yīng)于最大和 最小占空比， DBUCK(MAX)?= 0.846, DBUCK(MIN)?= 0.077, and DBB?= 0.462。

功率可通過假設(shè)效率為90%來計(jì)算，產(chǎn)生 POUT(BB)?= 66.67 W, IOUT(BB)?= 5.56 A, IL(BB)?= 10.37 A, PBB?= 74.074 W。

對于+10 V的輸出電壓（根據(jù)圖1），控制電路電流?I為0μ A，而對于-10 V的輸出電壓，?I = 200μA。

結(jié)論?

本文介紹了一種雙極性、雙端子電源設(shè)計(jì)。這里討論的方法基于降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是現(xiàn)代電源電子的主力技術(shù)，因此能以各種形式提供，從帶外部器件的簡單控制器到完整模塊應(yīng)有盡有。采用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以賦予設(shè)計(jì)人員靈活性，并且可以選擇使用預(yù)認(rèn)證器件，從而節(jié)省時(shí)間和成本。

作者

Victor Khasiev 是 ADI 高級應(yīng)用工程師。Victor 在 AC/DC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換的電力電子領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。 他擁有兩項(xiàng)專利，撰寫了多篇文章。這些文章與在汽車和工業(yè)應(yīng)用中使用的 ADI 半導(dǎo)體有關(guān)。涵蓋了升壓、降壓、SEPIC、正-負(fù)、負(fù)-負(fù)、反激式、正激式轉(zhuǎn)換器和雙向備用電源。他的專利涉及高效功率因數(shù)校正解決方案和先進(jìn)柵極驅(qū)動(dòng)器。Victor 樂于為 ADI 客戶提供支持：解答有關(guān) ADI 產(chǎn)品、電源原理圖設(shè)計(jì)和驗(yàn)證、印刷電路板布局、故障排查等問題并參與測試最終系統(tǒng)。