DC-DC 負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器：反相概述

介紹

電子設(shè)備主要使用正電壓軌供電;有時(shí)，也會使用一些負(fù)電壓軌。因此，負(fù)(或反相)輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案并不像正輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案那么常見。然而，當(dāng)為工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和通信系統(tǒng)中的高性能設(shè)備(例如高速 DAC、運(yùn)算放大器、射頻功率放大器、AFE、GaN FET 柵極驅(qū)動(dòng)器和 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器)供電時(shí)，需要負(fù)電壓軌。

設(shè)計(jì)人員在尋找負(fù)電壓解決方案時(shí)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)傳統(tǒng)設(shè)備都需要外部電平轉(zhuǎn)換器電路來進(jìn)行通信。它們還過時(shí)、低效、復(fù)雜且龐大。本文詳細(xì)討論了傳統(tǒng)解決方案的缺點(diǎn)，然后研究了一種新型高度集成的器件來解決該缺陷，并提供緊湊、易于使用且高效的負(fù)輸出 DC-DC 解決方案。

負(fù)輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的挑戰(zhàn)

典型的電源系統(tǒng)將其最低電壓電勢作為接地參考或 GND。對于正輸出 DC-DC 輸出轉(zhuǎn)換器，接地參考就是 GND(0V 電位)。其輸入/輸出信號自然以該地為參考。系統(tǒng)控制器使用 I/O 引腳簡單直接地與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通信。

圖 1這個(gè)簡化的系統(tǒng)原理圖僅使用正電壓軌。

圖 1展示了這樣一個(gè)系統(tǒng)，其中系統(tǒng)微控制器 (MCU) 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器的 EN(使能)引腳以打開和關(guān)閉轉(zhuǎn)換器?？刂破鬟€通過其PGOOD(即RESET)引腳讀取轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)，以了解轉(zhuǎn)換器功率輸出是否在其調(diào)節(jié)范圍內(nèi)并準(zhǔn)備好為整個(gè)系統(tǒng)供電。為簡單起見，此處僅顯示一個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器，但該原理也適用于具有多個(gè)正電壓軌的系統(tǒng)。

當(dāng)使用負(fù) DC-DC 時(shí)，與系統(tǒng)控制器的通信并非易事。轉(zhuǎn)換器的 I/O 引腳參考其最低電位，在本例中為負(fù)輸出電壓，而不是系統(tǒng)接地 (GND)。使用負(fù)電壓軌時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要為系統(tǒng) MCU 實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換器電路，以便與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通信。圖 2顯示了具有兩個(gè)電平轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)的簡化原理圖。

圖 2這個(gè)簡化的系統(tǒng)原理圖使用負(fù)電壓軌。

同樣，為簡單起見，此處僅示出了一個(gè)負(fù)輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，但該原理適用于具有多個(gè)負(fù)電壓軌或具有正負(fù)電壓軌混合的系統(tǒng)。每個(gè)負(fù)輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的每個(gè) I/O 引腳都需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器。

電平轉(zhuǎn)換器電路很大，給設(shè)計(jì)人員帶來了挑戰(zhàn)。此外，傳統(tǒng)的負(fù) DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案復(fù)雜且低效，帶來了另一個(gè)挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn) 1：電平轉(zhuǎn)換器

圖 3顯示了典型的電平轉(zhuǎn)換器電路。其目的是移動(dòng)信號的接地參考以匹配系統(tǒng) MCU 的接地參考。它在這里用于翻譯來自系統(tǒng) MCU 的 ON 命令以打開/關(guān)閉 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。該電平轉(zhuǎn)換器由 9 個(gè)組件組成。其操作非常簡單：當(dāng)系統(tǒng)控制器將 ON 驅(qū)動(dòng)為高電平時(shí)，Q1 導(dǎo)通，進(jìn)而偏置 Q2，并將 EN 驅(qū)動(dòng)為高電平以啟用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。當(dāng) ON 被驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)，Q1 和 Q2 均關(guān)閉，EN 被驅(qū)動(dòng)為低電平以禁用轉(zhuǎn)換器。

圖 3典型的電平轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換來自系統(tǒng)控制器的 ON 命令。

圖 4描述了常見的電平轉(zhuǎn)換器電路變化。這里用它來翻譯來自DC-DC轉(zhuǎn)換器的PGOOD信號，以便系統(tǒng)微轉(zhuǎn)換器可以讀取它。當(dāng) DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 PGOOD 驅(qū)動(dòng)為高電平(漏極開路)時(shí)，Q3 導(dǎo)通，進(jìn)而對 Q4 施加偏置并驅(qū)動(dòng) RESET 為高電平，從而使系統(tǒng) MCU 脫離復(fù)位狀態(tài)。

圖 4電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換來自 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 PGOOD 信號。

這兩個(gè)電平轉(zhuǎn)換器需要 18 個(gè)外部組件，這給試圖將解決方案融入不斷縮小的設(shè)備和電路板空間的設(shè)計(jì)人員帶來了挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)二：效率低下

傳統(tǒng)的負(fù)輸出 DC-DC 解決方案效率低下。由于效率低下而產(chǎn)生的額外熱量給設(shè)計(jì)人員帶來了另一個(gè)挑戰(zhàn)，他們現(xiàn)在承擔(dān)著從系統(tǒng)中消除熱量的額外負(fù)擔(dān)。圖 5是此類系統(tǒng)的簡化電路原理圖。

圖 5這是異步雙電感器反相輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的簡化原理圖。

這種拓?fù)涿媾R兩個(gè)低效率問題。首先，它采用異步開關(guān)，其中輸出整流二極管 D1 比同步解決方案消耗更多功率。其次，它有一個(gè)額外的功率電感器 L1 和一個(gè)額外的電容器 C1，它們也會消耗更多的功率。圖 6顯示了該轉(zhuǎn)換器在 12V 輸入和 -15V 輸出條件下測量的效率曲線。其峰值效率僅為 83%，而在 150 mA 輸出電流下功耗約為 460 mW。

圖 6功率損耗曲線顯示了異步雙電感器反相輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的效率。

更小、更高效的負(fù)輸出 DC-DC 解決方案

MAX17577和MAX17578同步反相DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器是為了滿足工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和通信系統(tǒng)中對更小、更低發(fā)熱設(shè)備日益增長的需求而開發(fā)的。該器件集成了電平轉(zhuǎn)換電路以降低組件成本和數(shù)量，并采用同步整流以提高效率。圖7顯示了其典型應(yīng)用電路。

圖7 MAX17579和MAX17580是高度集成、高效的負(fù)輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器。

這些 DC-DC 轉(zhuǎn)換器具有寬輸入電壓范圍。該器件的工作輸入電壓為 4.5 至 60V，可提供高達(dá) 300 mA 的輸出電流。借助集成電平轉(zhuǎn)換器，這些器件通過將組件數(shù)量減少一半，節(jié)省高達(dá) 72% 的電路板空間，同時(shí)比最接近的傳統(tǒng)解決方案能耗減少 35%。

圖 8 MAX17577 在 -15V 輸出時(shí)具有 88.5% 的效率。

圖8顯示MAX17577的峰值效率為88.5%，在16V輸入和-15V/150mA輸出條件下測得。與圖 6 所示的傳統(tǒng)解決方案相比，效率提高了 5.5 個(gè)百分點(diǎn)。為什么效率很重要?該器件的效率為 88.5%，功耗僅為 292 mW，同時(shí)向負(fù)載提供 2.25 W 功率。與之前所示的傳統(tǒng)解決方案的 460 mW 相比，292 mW 意味著系統(tǒng)冷卻所需的熱量減少了 37%。

圖 9顯示了圖 2 的改進(jìn)版本，消除了電平轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)MCU可以直接與MAX17579/MAX17580通信，即使它們具有不同的接地參考。

圖 9該圖顯示了使用負(fù)電壓軌的系統(tǒng)中的 MAX17579/MAX17580。

還值得注意的是，這些新解決方案具有較寬的工作電壓范圍，可以承受和容忍系統(tǒng)電壓波動(dòng)，例如電源浪涌事件、反電動(dòng)勢和電纜電壓振鈴，從而提高系統(tǒng)可靠性。此外，還有MAX17577和MAX17578，它們屬于同一系列，性能相似，但可提供高達(dá)1A的輸出電流。這些器件非常適合為 RF 功率放大器、GaN FET 柵極驅(qū)動(dòng)器和 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器供電。

新型高度集成設(shè)備

工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和通信系統(tǒng)中的設(shè)備對更小解決方案尺寸和更低發(fā)熱量的要求不斷增長，這給尋找負(fù)電壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)人員帶來了巨大挑戰(zhàn)，而大多數(shù)傳統(tǒng)解決方案都過時(shí)、低效、復(fù)雜且笨重。

具有板載電平轉(zhuǎn)換器、同步整流和寬工作輸入電壓的新型高度集成器件帶來了最緊湊、高效且穩(wěn)健的負(fù)輸出 DC-DC 解決方案。