一款四象限 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器可實(shí)現(xiàn) 從正至負(fù)輸出電壓的平滑轉(zhuǎn)換以滿足 FPGA 和其他應(yīng)用的需要

引言

在很多電子系統(tǒng)中，有必要為特定類型負(fù)載提供雙極性 (正和負(fù)) 電壓或電流。需要雙極性電壓 / 電流的負(fù)載包括 FPGA體偏置應(yīng)用、熱電冷卻器、DC 電動(dòng)機(jī)以及其他很多類型的應(yīng)用。

有很多傳統(tǒng)方法可為負(fù)載提供雙極性電壓 / 電流。H 橋式設(shè)計(jì)經(jīng)常使用，但是要求負(fù)載的兩個(gè)端子均不能直接接地。負(fù)載的兩個(gè)端子均須在正電源軌和地之間擺動(dòng)，為了濾除這種斬波波形，通常會(huì)給負(fù)載串聯(lián)一個(gè)電感器。負(fù)載不能直接接地可能使整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械及電氣設(shè)計(jì)復(fù)雜化。H 橋式方法還需要 4 個(gè)開關(guān)組件和更加復(fù)雜的控制方法。有些負(fù)載有負(fù)端子，這種端子不能施加高偏壓 (相對于地)，例如：FPGA 反向偏壓應(yīng)用。

另一種傳統(tǒng)方法是建立兩個(gè)電源軌，一個(gè)正軌和一個(gè)負(fù)軌。人們使用各種不同的電路在穩(wěn)壓的正或負(fù)軌中“進(jìn)行掉換”，以實(shí)現(xiàn)電壓可低于地的雙極性工作。這導(dǎo)致一種非常復(fù)雜的系統(tǒng)，一般而言效率較低，而且當(dāng)輸出電壓跨越地電位時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非線性響應(yīng)。

本文給出一種新的 DC/DC 開關(guān)架構(gòu)，該架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的 4 象限工作，這意味著，輸出電壓可以為正或負(fù)，電流也可以在兩個(gè)方向上流動(dòng)。此外，這種新架構(gòu)產(chǎn)生的輸出電壓能夠從一種極性向另一種極性、穿過地電位平滑轉(zhuǎn)換，而且這種轉(zhuǎn)換模式不產(chǎn)生任何非線性問題。

四象限 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

圖 1 顯示了這種 4 象限轉(zhuǎn)換器的基本連接和組件。NFET (MN) 和 PFET (MP) 之間在反相以及恒定開關(guān)頻率工作。電流模式控制 (圖中未顯示) 在需要時(shí)用來調(diào)制 MN 的占空比。

圖 1：四象限 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

如果我們假定，該電路以固定頻率工作，那么 MN 接通時(shí)間的占空比可以計(jì)算如下：

從這個(gè)等式中可以清楚地看出，在 VIN 電壓為正時(shí)，輸出電壓 VOUT 可以為正 (最高為 VIN) 或負(fù) (僅受實(shí)際 DC 因素的限制)，也可以為 0V。實(shí)際上，0V 輸出電平并沒什么特殊之處，因?yàn)樵谶@個(gè)工作點(diǎn)上，該轉(zhuǎn)換器 DC 的占空比為 50%。

無論輸出電壓是什么極性，該轉(zhuǎn)換器的輸出都可以吸收或提供電流，從而使這個(gè)電路成為真正以 4 象限工作的拓?fù)?。MN 和 MP 上的最高漏極至源極電壓均為 2VIN – VOUT。例如，如果 VIN 為 +12V，VOUT 為 -12V，那么兩個(gè) FET 的 BVDSS 額定值必須都高于 36V。

四象限拓?fù)渲械?LT8710

凌力爾特公司不久前推出的控制器 LT8710 可用于 4 象限拓?fù)洹D 2 顯示了一個(gè)配置為這種拓?fù)涞耐暾娐?，該電路已?jīng)過全面測試。這個(gè)電路的輸入電壓典型值為 12V，但是允許范圍為 11V 至 13V。輸出在 +5V 至 -5V 范圍內(nèi)可調(diào)，輸出電流可達(dá) ±3A。模擬控制信號 VCNTL 用來調(diào)節(jié)輸出電壓。LT8710 是一款 80V 控制器，因此可用來構(gòu)成提供更高或更低電壓及電流的其他很多版本之 4 象限轉(zhuǎn)換器。

圖 2：用 LT8710 構(gòu)成的 4 象限轉(zhuǎn)換器

該轉(zhuǎn)換器的 4 象限工作能力如圖 3 所示。其中，正弦曲線控制信號用來產(chǎn)生以 0V 為中心的正弦曲線輸出電壓。電感器電流可為正或負(fù)，無論是正是負(fù)，都必須讓輸出電壓達(dá)到所要求的值。這些工作波形顯示，該轉(zhuǎn)換器可干凈、平滑地穿越地電位工作。使用正弦波控制信號是一種隨意選擇，DC 信號、方波信號或其他任何類型的信號都可以使用。

圖 3：正弦波輸出電壓穿過 0V

應(yīng)用

有很多應(yīng)用可以利用這種 4 象限 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。在高性能數(shù)字電路中 (比如 FPGA)，體反向偏壓可用于顯著降低靜態(tài)功耗，同時(shí)保持或改善動(dòng)態(tài)性能。PMOS 和 NMOS 器件的體電壓可獨(dú)立控制以調(diào)節(jié)器件的門限 (VT)。當(dāng) FPGA 要求較低時(shí)，可將門限調(diào)節(jié)得較高，從而顯著地降低這些數(shù)字構(gòu)件中的泄漏電流。當(dāng) FPGA 要求較高時(shí)，可以降低門限，從而提高速度，并因此提高 FPGA 性能。圖 4 顯示了一個(gè)這種應(yīng)用的高級方框圖。請注意，對于 NMOS 體偏置，電壓通常為 0V±300mV，這非常適合于四象限拓?fù)?。[!--empirenews.page--]

圖 4：FPGA體偏置應(yīng)用

可從 4 象限拓?fù)涫芤娴牧硪环N應(yīng)用是 DC 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在很多情況下，DC 電動(dòng)機(jī)需要速度調(diào)節(jié)以及反向能力。用于 4 象限轉(zhuǎn)換器的 LT8710 能夠同時(shí)滿足這兩種要求。圖 5 顯示了一個(gè)這類應(yīng)用。請注意，DC 電動(dòng)機(jī)的負(fù)端可以簡單地連接至地，而正端可在正和負(fù) 10V 之間調(diào)節(jié)。與 DC 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用類似，4 象限拓?fù)溥€能用來驅(qū)動(dòng)熱電冷卻器 (TEC)、音頻揚(yáng)聲器以及其他很多應(yīng)用。

圖 5：驅(qū)動(dòng)方向可反轉(zhuǎn)的 DC 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器

結(jié)論

用于 4 象限 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞?LT8710 是一款強(qiáng)大的電路器件，能產(chǎn)生正和負(fù)輸出電壓以及正和負(fù)輸出電流。與輸出串聯(lián)的電感器 (圖 2 中的 L2) 降低了輸出電壓紋波。產(chǎn)生接近地的輸出電壓之過程也得到了簡化，因?yàn)樵谶@種情況下，占空比接近 50%。很多應(yīng)用可受益于這一電路，包括但不限于 FPGA體偏置、DC 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、熱電冷卻器以及音頻驅(qū)動(dòng)器。