動(dòng)態(tài)調(diào)整負(fù)輸出電壓

有產(chǎn)生負(fù)輸出電壓的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，并且有動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓的眾所周知的方法。我希望在本文中解決的缺失環(huán)節(jié)將這兩種技術(shù)與簡(jiǎn)單的電平轉(zhuǎn)換電路結(jié)合起來(lái)。

需要負(fù)輸出電壓電源的應(yīng)用包括測(cè)試和測(cè)量、航空航天和國(guó)防、汽車(chē)和醫(yī)療。創(chuàng)建負(fù)電源軌的一種常見(jiàn)方法是使用傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器，但將其用作反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器集成電路 (IC) 接地引腳連接到負(fù)輸出電壓節(jié)點(diǎn) (-V OUT )，電感器輸出連接到系統(tǒng)接地 (0V)。圖 1是一個(gè)示例配置。從輸出到反饋 (FB) 引腳的電阻分壓器設(shè)置輸出電壓。

圖 1將降壓轉(zhuǎn)換器作為反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。

使用降壓轉(zhuǎn)換器 IC 生成負(fù)電壓的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何連接 IC 的信號(hào)以及如何對(duì)進(jìn)出 IC 的信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。輸入/輸出 (I/O) 引腳以負(fù)輸出電壓 (-V OUT ) 而非系統(tǒng)接地 (0V) 為參考。此應(yīng)用報(bào)告很好地解釋了在系統(tǒng)接地 (0V) 域和本地 IC 接地 (-V OUT )之間對(duì)使能 (EN)、電源正常 (PGOOD) 和同步 (SYNC) 信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的幾種電路領(lǐng)域。該報(bào)告還包括有關(guān)如何通過(guò)測(cè)量波特圖和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)來(lái)測(cè)試電路的有用建議。本應(yīng)用報(bào)告還包括一些電平轉(zhuǎn)換電路示例。

接下來(lái)，我們來(lái)看看動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整。對(duì)于傳統(tǒng)的降壓或升壓轉(zhuǎn)換器，參考文獻(xiàn) 4、5 和 6 演示了幾種調(diào)整輸出電壓的方法。一種流行的方法是在 FB 引腳和可調(diào)電壓源 (V ADJ ) 之間連接一個(gè)電阻，如圖 2所示。 V ADJ處的電壓可向上或向下調(diào)整，以動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。當(dāng)V ADJ高于FB節(jié)點(diǎn)電壓(等于參考電壓V REF)時(shí)，電流將通過(guò)電阻R ADJ流入FB節(jié)點(diǎn)。這導(dǎo)致輸出電壓下降。

相反，如果V ADJ電壓低于FB 節(jié)點(diǎn)電壓，電流將以相反方向流過(guò)電阻R ADJ，輸出電壓將增加。

一種思考方式是，流入 FB 節(jié)點(diǎn)的拉電流(或灌電流)使其看起來(lái)頂部(或底部)電阻值已減小。電阻器的 R ADJ 的作用類(lèi)似于與頂部或底部電阻器并聯(lián)的虛擬電阻器。

圖 2您可以通過(guò)向 FB 節(jié)點(diǎn)提供/吸收電流來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

生成 V ADJ的一種簡(jiǎn)單方法是提供通過(guò)電阻電容低通濾波器的脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)。微控制器或其他數(shù)字芯片可以輸出PWM信號(hào)?？刂芇WM信號(hào)的占空比將改變V ADJ。使用這種方法動(dòng)態(tài)調(diào)整反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)輸出電壓可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)榻祲恨D(zhuǎn)換器 IC 的本地接地依賴(lài)于負(fù)輸出電壓 (-V OUT )，而不是系統(tǒng)接地 (0V)。電平轉(zhuǎn)換電路可能是必要的，就像我之前提到的 I/O 引腳的接口(圖 3)。

圖 3使用接地參考 PWM 信號(hào)來(lái)生成 V ADJ需要電平轉(zhuǎn)換電路。

圖 4顯示了該應(yīng)用的電平轉(zhuǎn)換電路示例。該電路會(huì)將相對(duì)于系統(tǒng)接地 (0V) 的 PWM 信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)于 IC 接地 (-V OUT ) 的 PWM 信號(hào)。 PWM 源可打開(kāi)和關(guān)閉 P 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。當(dāng) P 溝道 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，它將 N 溝道 MOSFET 柵極拉至柵極閾值電壓以上，并導(dǎo)通 N 溝道 MOSFET。反過(guò)來(lái)，這會(huì)將 V PWM拉低至 -V OUT。當(dāng)P溝道MOSFET關(guān)斷時(shí)，N溝道MOSFET關(guān)斷并且電阻器R PU將V PWM拉向V BIAS。電壓偏置可以使用精密并聯(lián)穩(wěn)壓器(例如 Texas Instruments LM4040)生成，該穩(wěn)壓器通過(guò)電阻器連接到 V IN并連接到 -V OUT。如圖 3 所示，R FLT和 C FLT充當(dāng)?shù)屯V波器并創(chuàng)建 V ADJ。通過(guò)R ADJ 的電流將調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖 4此示例電平轉(zhuǎn)換電路使用分立元件將 PWM 信號(hào)從接地參考轉(zhuǎn)換為 IC 的參考 -V OUT。

圖 5中的仿真結(jié)果顯示了該方法能夠調(diào)整負(fù)輸出電壓，其中降壓轉(zhuǎn)換器作為反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)行。在前 6 毫秒 (ms) 內(nèi)，負(fù)輸出電壓(以紅色顯示并標(biāo)記為“NVOUT”)緩慢啟動(dòng)至 -7V。藍(lán)線顯示 V ADJ，它跟蹤啟動(dòng)期間的負(fù)輸出電壓。 PWM 電路在 7 ms 時(shí)啟用(PWM 輸入波形以紫色顯示)并生成電平移位 PWM (V PWM )。電壓調(diào)整(以藍(lán)色顯示)增加，轉(zhuǎn)換器輸出電壓隨之增加。經(jīng)過(guò)大約 2 ms 的轉(zhuǎn)換時(shí)間后，轉(zhuǎn)換器達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)(接近 -2V)。調(diào)整 PWM 信號(hào)會(huì)在仿真后期降低輸出電壓，從而獲得平滑、有效的結(jié)果。

圖 5仿真顯示了如何使用電平轉(zhuǎn)換電路來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整負(fù)輸出電壓。

使用簡(jiǎn)單的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)可調(diào)負(fù)輸出電壓可以與許多現(xiàn)成的降壓轉(zhuǎn)換器 IC 配合使用。該電路結(jié)合了用于調(diào)整輸出電壓和電平移位信號(hào)的常用技術(shù)。這里介紹的電平轉(zhuǎn)換電路使系統(tǒng)接地參考 PWM 源能夠改變注入電源轉(zhuǎn)換器 FB 節(jié)點(diǎn)的電流。關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是在本地 IC 接地電壓(與負(fù)輸出電壓相同的電壓)變化時(shí)控制注入電流。該技術(shù)適用于需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整負(fù)輸出電壓的各種應(yīng)用。