如何利用降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生雙極性電源

簡介

臺式電源(PS)往往有偶數(shù)個端口(忽略機箱端口)：一個正端口和一個負端口。使用臺式電源產(chǎn)生正極性輸出很容易：將負輸出設置為GND，將正輸出電壓設置為正輸出。產(chǎn)生負電源同樣容易，只需將上述設置反轉(zhuǎn)。但是，如何生產(chǎn)雙極性電源，負載可以同時使用正電壓和負電壓?相對而言，這也很簡單—只需將一個實驗室通道的正端口連接到另一個通道的負端口，并稱其為GND。另外兩個端口(正和負)分別就是正負電源。結(jié)果得到一個三端口雙極性電源，提供GND、正和負電壓電平。由于使用了三個端口，因此在電源下游的正電源和負電源之間必須進行某種切換。

如果應用要求同一電源端口為正或負(僅向負載提供兩個端口的設置)，該怎么辦?這不是一個純學術問題。在汽車和工業(yè)環(huán)境中，有些應用需要雙極性、可調(diào)節(jié)的雙端口電源。例如，從具異國風情的玻璃貼膜到測試測量設備，這些應用會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輸出端口產(chǎn)生兩路輸出：正、負和GND。相比之下，單路輸出電源應僅配備兩個輸出端口：一個 GND和另一個可以為正也可以為負的輸出端口。在此類應用中，輸出電壓可以通過單個控制信號在從最小負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 進行測試和認證需要一些時間和金錢上的投入。相比之下，許多制造商已經(jīng)擁有預認證的降壓轉(zhuǎn)換器和控制器，因為無數(shù)汽車和工業(yè)應用中都會用到這些器件。本文介紹在不能選擇專用雙極性電源IC時如何利用降壓轉(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6 A的負載。雙路輸出降壓控制器IC是此設計的核心器件。每個降壓–升壓拓撲連接的一路輸出產(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。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(負輸出)。應用啟動特性由RUN和TRACK/SS引腳的端接電阻設置。

兩路輸出均在強制連續(xù)導通模式下工作。在輸出控制電路中，0μA 至200μA電流源 ICTRL在實驗室測試時連接到負軌，但也可以GND為 基準。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?？蛇x 二極管D1和D2用于防止這些電容上產(chǎn)生反向電壓，尤其是在啟動時。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，包括電壓和負載調(diào)整、瞬態(tài)響應以及輸出短路。圖2顯示了啟動至6 A負載、輸出為+10 V的情況。控制電流和輸出電壓之間的函數(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. 進入電阻負載的啟動波形

圖3. VOUT 與控制電流 ICTRLL的關系。當 ICTRL 從0 A增加到200μA時，輸出電壓從+10 V降至-10 V。[!--empirenews.page--]

圖4. 正負輸出的效率曲線

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，允許設計人員分析和仿真上述電路，引入變化，查看波形，以及研究器件應力。

描述此拓撲的基本公式和表達式

這種方法基于設計的降壓–升壓部分產(chǎn)生的負電壓軌 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)換器半導體器件上的最大電壓應力：

VBUCK(MAX) 和 VBUCK(MIN) 分別為該拓撲的降壓部分的最大和最小電壓。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現(xiàn)的。圖1的輸出電壓控制電路部分顯示了如何設置輸出電壓控制。

如果給定 RB ，那么

其中 VFB 為反饋引腳電壓。

當電流源 ICTRL L將零電流注入 RA時, 降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是相對于負軌的最大正值 (VBUCK(MAX)) 和相對于GND的最大輸出電壓 (+ VOUT)。 為了給負載產(chǎn)生負輸出電壓(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，我們可以計算雙極性電源的電壓應力、流過功率鏈路器件的電流以及控制電路的參數(shù)。例如，以下計算是針對一個從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。驗證最小輸入電壓 VIN ≥ | VNEG |的條件。 半導體器件 VBUCK上的電壓應力為26 V。

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

功率可通過假設效率為90%來計算，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、雙端子電源設計。這里討論的方法基于降壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構，它是現(xiàn)代電源電子的主力技術，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有盡有。采用降壓拓撲結(jié)構可以賦予設計人員靈活性，并且可以選擇使用預認證器件，從而節(jié)省時間和成本。