正至負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用

圖 1：正至負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

相比基于變壓器的傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有諸多的優(yōu)勢(shì)，其中最重要的就是轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單性和低元件數(shù)目。圖 2 示出了功率鏈路的固有簡(jiǎn)單性，它包括一個(gè)頂端 MOSFET Q1、單個(gè)電感器 L1、二極管或底端 MOSFET Q2 及輸出濾波器。輸出電壓由降壓 IC 控制器 U1 調(diào)節(jié)。倘若采用集成型解決方案，那么功率鏈路的組件數(shù)目可進(jìn)一步減少至 2 個(gè)或甚至 1 個(gè)，如圖 3 和圖 4 所示。

 
圖 2：采用分立組件的正至負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器，V_IN = 5V 至 14V，V_OUT = 5V/4A

圖 3：采用一個(gè)具集成型 MOSFET 的穩(wěn)壓器 IC 的正至負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器，
V_IN = 5V 至 14V，V_OUT = 3.3V/5A
 
圖 4：采用全集成型µModule DC/DC 轉(zhuǎn)換器的正至負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器，
V_IN = 5V 至 14V，V_OUT = 5.0V/7A

基本操作、轉(zhuǎn)移函數(shù)和組件應(yīng)力
    本文給出了掌握正至負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器功能性的應(yīng)用知識(shí)所需的基本拓?fù)涫疽鈭D和公式。有關(guān)其工作原理 (包括降壓-升壓) 的更全面研究請(qǐng)見參考文獻(xiàn) * 。

對(duì)于連續(xù)導(dǎo)通模式操作，占空比、平均電感器電流可從下式獲得：

D = |Vo| / ( Vin + |Vo| )        I_L = Io / (1 - D)

雖然正至負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器看似降壓型轉(zhuǎn)換器，而且其工作原理基本上類似于降壓型轉(zhuǎn)換器，但它并不是降壓型轉(zhuǎn)換器。主要的區(qū)別是：在正至負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器中，電感器不像在降壓型轉(zhuǎn)換器中那樣連續(xù)地向負(fù)載輸送能量和電流。在導(dǎo)通期間，Q1 接通，Q2 關(guān)斷，Q2 的體二極管被施加反向偏置且電感器與負(fù)載斷接，而由輸出濾波器給負(fù)載供電 (見圖 1a)。如圖 1b 所示，當(dāng) Q1 關(guān)斷和 Q2 接通時(shí)，能量和電流從電感器 L 輸送至輸出濾波器。

在相同的輸出電流下，負(fù)輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的平均及峰值電感器電流大于降壓型拓?fù)?。例如，在圖 2 所示的電路中：輸出電流為 4A，但在 9V 輸入電壓條件下，平均電感器電流為 6.22A，而峰值電感器電流為 7.32A。這一事實(shí)對(duì)于組件選擇、效率和輸出紋波具有重要的意義，不過，憑借正確的組件選擇可以實(shí)現(xiàn) 94%~95% 甚至更高的效率。

V_MAX = V_IN + |V_OUT| 是晶體管 Q1 和 Q2 兩端的最大電壓。根據(jù)下面的表達(dá)式，可以得出流過晶體管 Q1、Q2 和電感器 L 以及二極管 D 的最大電流 I_MAX。

dI = V_IN(MIN) • T • D_MAX / L

I_PEAK = I_L + dI/2

I_MAX = I_OUT / (1 - D_MAX) + dI/2

式中的 D_MAX 為控制器的最大占空比。流過 Q1 的平均電流等于 I_L•D，而流過 Q2 的平均電流等于 I_OUT。對(duì)于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開關(guān)引腳和檢測(cè)引腳上的最大電壓限定了控制器的選擇。

三款正至負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器
    圖 2、圖 3 和圖 4 示出了采用這種拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)的實(shí)際正至負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器。圖 2 給出的是一種分立式配置，包括了兩個(gè)晶體管、一個(gè)電感器、一個(gè) LTC3834-1 控制器和輸入 / 輸出濾波器。LTC3834-1 的接線簡(jiǎn)單明確，用戶可以選擇 3 種固定頻率：250kHz、530kHz 或 400kHz (通過 PLLLPF 引腳) 和 3 種操作模式：突發(fā)模式 (Burst Mode®) 操作、脈沖跳躍和強(qiáng)制連續(xù)模式 (通過 PLLIN/MODE 引腳)。該電路的效率高達(dá) 93% 左右。