為單極性負(fù)電源增加一個(gè)高效的正電源軌

有時(shí)您需要正電源，而最可用的電源軌（或僅可用電源軌）是負(fù)電源軌。事實(shí)上，負(fù)向正電壓轉(zhuǎn)換用于汽車(chē)電子，以及各種音頻放大器的偏置電路，以及工業(yè)和測(cè)試設(shè)備。盡管許多系統(tǒng)中的功率通過(guò)負(fù)電源軌（相對(duì)于接地軌）分配，但其中的邏輯板、ADC、DAC、傳感器和類(lèi)似器件仍然需要一個(gè)或多個(gè)正電源軌。本文介紹一種簡(jiǎn)單、元件數(shù)量少、高效的電路，用于從負(fù)電源軌產(chǎn)生正電壓。

電路描述和動(dòng)力傳動(dòng)系功能

圖1顯示了將負(fù)電壓高效轉(zhuǎn)換為正電壓的完整解決方案。此特定解決方案使用升壓拓?fù)洹?dòng)力傳動(dòng)系包括開(kāi)關(guān) MOSFET、底部 Q1、頂部 Q2、電感器 L1 和輸入/輸出濾波器。同步高效升壓控制器 IC 通過(guò)改變動(dòng)力傳動(dòng)系中開(kāi)關(guān) MOSFET 的狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。為了描述本電路，系統(tǒng)接地（SYS_GND）用作極性的參考，輸入軌（相對(duì)于SYS_GND負(fù)）（–V在），和正 — 相對(duì)于SYS_GND — 輸出軌 （+V外).

轉(zhuǎn)換器的工作原理如下。如果晶體管Q1導(dǎo)通，則電流從SYS_GND流向負(fù)軌。晶體管Q2關(guān)閉，電感L1在其磁場(chǎng)中存儲(chǔ)能量。為了完成切換周期，Q1關(guān)閉，Q2打開(kāi)。電流開(kāi)始從SYS_GND流向+V外軌道，將 L1 能量釋放到負(fù)載。

圖1.負(fù)正轉(zhuǎn)換器電氣原理圖，帶V在–6 V 至 –18 V（–24 V 峰值）和 V外+12 V，6 A。

動(dòng)力傳動(dòng)系部件選擇的基本表達(dá)式

圖2中的開(kāi)關(guān)行為拓?fù)鋱D說(shuō)明了負(fù)正轉(zhuǎn)換器行為。對(duì)于開(kāi)關(guān)周期的第一個(gè)間隔，在占空比定義的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，底部開(kāi)關(guān)，B西 南部，短路且頂部開(kāi)關(guān)，T西 南部，是打開(kāi)的。電感兩端的電壓 L 等于 –V在.在整個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，電感L中的電流增加，產(chǎn)生與–V匹配的電壓極性在電感兩端。同時(shí)，輸出濾波電容放電，為系統(tǒng)負(fù)載提供電流。

圖2.負(fù)到正轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋱D。

循環(huán)的第二個(gè)間隔翻轉(zhuǎn)兩個(gè)開(kāi)關(guān) - B西 南部是開(kāi)放的，T西 南部被做空。電感L兩端的極性發(fā)生變化，電感開(kāi)始向負(fù)載和C提供電流（存儲(chǔ)在周期的第一個(gè)間隔內(nèi)）外，輸出濾波電容。電感在周期的這一部分內(nèi)看到相應(yīng)的電流降低。電感的伏秒平衡定義了轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式下的占空比D。

計(jì)算時(shí)序和組件應(yīng)力

以下是描述動(dòng)力傳動(dòng)系部件的正時(shí)和應(yīng)力的公式。

占空比決定了開(kāi)關(guān)的開(kāi)/關(guān)時(shí)間

輸入電流的平均值，I外，是輸入電流

電感電流的峰值

開(kāi)關(guān) MOSFET 上的電壓應(yīng)力

通過(guò)底部MOSFET的平均電流

通過(guò)頂部 MOSFET 的平均電流

這些表達(dá)式對(duì)于大致了解拓?fù)涞墓δ芤约皠?dòng)力傳動(dòng)系組件的初步選擇非常有用。對(duì)于最終選擇和詳細(xì)設(shè)計(jì)，請(qǐng)使用LTspice建模和仿真。?1

轉(zhuǎn)換器控制說(shuō)明和功能

輸出電壓的檢測(cè)和控制電壓的電平轉(zhuǎn)換由基于 PNP 晶體管 Q3 和 Q4 的電流鏡管理。反饋電流IFB（本電路中為1 mA）確定反饋環(huán)路中電阻的值。

其中 VC是誤差放大器的基準(zhǔn)電壓。

其中 RFB（T）是輸出電壓檢測(cè)電阻。

圖1所示的反饋電路是一種廉價(jià)的解決方案，但分立晶體管的容差會(huì)受到基極發(fā)射極電壓和溫度變化差異的影響。為了提高精度，可以使用匹配的晶體管對(duì)。

轉(zhuǎn)換器動(dòng)力傳動(dòng)系的控制留給 LTC7804 升壓控制器。之所以選擇該芯片，是因?yàn)槠湫矢撸哂?a target="_blank">同步整流、易于實(shí)現(xiàn)、高開(kāi)關(guān)頻率操作（如果需要小電感尺寸）和低靜態(tài)電流。

測(cè)試結(jié)果和拓?fù)湎拗?/p>

該解決方案經(jīng)過(guò)了細(xì)致的測(cè)試和驗(yàn)證。圖3顯示，在很寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)，效率仍然很高，達(dá)到96%。請(qǐng)注意，隨著輸入電壓的絕對(duì)值減小，輸入和電感電流也會(huì)增加。在某一點(diǎn)，電感電流可能超過(guò)電感上的最大電流或飽和電流。顯示這種效應(yīng)的降額曲線(xiàn)如圖4所示。在–9 V至–18 V范圍內(nèi)，最大負(fù)載電流為6 A，低于絕對(duì)值低于–9 V的輸入電壓。 圖5顯示了圖6中解決方案板的熱性能。

圖3.V 的效率曲線(xiàn)在–12 V 和 –18 V，自然對(duì)流冷卻。

圖4.絕對(duì)值輸入電壓低于–9 V時(shí)的輸出電流降額曲線(xiàn)。

圖5.帶V的轉(zhuǎn)換器的熱圖像在–12 V 和 V外+12 V，6 A，使用自然對(duì)流冷卻，無(wú)氣流。

圖6.轉(zhuǎn)換器照片。

結(jié)論

本文介紹了一個(gè)非常高效且相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)的完整解決方案，用于使用升壓控制器為單極性負(fù)電源添加正電源軌。它還提供時(shí)序、電源轉(zhuǎn)換組件和電氣應(yīng)力的電氣原理圖和計(jì)算。測(cè)試數(shù)據(jù)證實(shí)了高效率和良好的熱性能。此外，該解決方案中使用的升壓拓?fù)涫乖O(shè)計(jì)人員可以選擇使用預(yù)認(rèn)證的升壓控制器，從而節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。相反，對(duì)負(fù)-正轉(zhuǎn)換器的升壓控制器進(jìn)行認(rèn)證可以為其預(yù)認(rèn)證，以用于未來(lái)的升壓應(yīng)用。

審核編輯：郭婷