基于公共降壓轉(zhuǎn)換器的雙極性、單輸出和可調(diào)電源

臺式電源 （PS） 往往具有偶數(shù)個端子（忽略機箱端口），其中一個正端子和一個負端子。使用臺式電源產(chǎn)生正極性輸出非常簡單：將負輸出設(shè)置為 GND，將正輸出電壓設(shè)置為正輸出。通過反轉(zhuǎn)設(shè)置來產(chǎn)生負電源同樣容易。但是，如果產(chǎn)生雙極性電源，負載可以使用正電壓和負電壓呢？這也相對容易——只需將一個實驗室通道的正極端子連接到另一個通道的負極并調(diào)用該 GND。另外兩個端子，負和正，分別是正電源和負電源。結(jié)果是一個三端子雙極性電源，具有可用的GND、正和負電壓電平。由于使用三個端子，因此必須在電源下游的正電源和負電源之間進行一些切換。

如果應(yīng)用要求同一電源端子為正或負，即僅向負載提供兩個端子的設(shè)置，該怎么辦？這不是一個純粹的學(xué)術(shù)問題。汽車和工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用需要雙極性、可調(diào)雙端子電源。例如，兩個端子雙極電源用于從異國情調(diào)的窗戶著色到測試和測量設(shè)備的各種應(yīng)用。

如前所述，傳統(tǒng)的雙極性PS使用三個輸出端子產(chǎn)生兩個輸出：正、負和GND。相比之下，單個輸出電源應(yīng)僅配備兩個輸出端子：一個GND，另一個可以是正極或負極。在此類應(yīng)用中，輸出電壓可以通過單個控制信號在從最小負到最大正的整個范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

有些控制器是專門為實現(xiàn)雙極性電源功能而設(shè)計的，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)制造商來說，測試和鑒定專用IC需要投入大量的時間和金錢。相比之下，許多制造商已經(jīng)擁有經(jīng)過資格預(yù)審的降壓轉(zhuǎn)換器和控制器，因為它們用于無數(shù)汽車和工業(yè)應(yīng)用。本文介紹如何在無法選擇專用雙極性電源IC的情況下使用降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生雙極性PS。

電路描述和功能

圖1所示為基于降壓轉(zhuǎn)換器的雙極性（兩象限）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。雙輸出降壓控制器IC是該設(shè)計的核心元件。每個降壓-升壓拓撲連接一個輸出，產(chǎn)生穩(wěn)定的–12 V電壓（即圖1中的–12 V負電源軌，其動力傳動系包括L2、Q2、Q3和輸出濾波器CO2).

圖1.電氣原理圖為兩端，雙極性，可調(diào)電源。

–12 V 電源軌用作第二個通道的接地，控制器的接地引腳也連接到 –12 V 電源軌?？傮w而言，這是一款降壓轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓為–12 V和V之差在.輸出可調(diào)，可以相對于GND為正或負。 請注意，輸出相對于–12 V電源軌始終為正，包括一個由L1、Q1、Q4和C組成的動力傳動系O1.反饋電阻分壓器 RB–R一個設(shè)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)，該電路可以通過向R注入電流將輸出調(diào)節(jié)到最小輸出電壓（負輸出）一個.應(yīng)用啟動特性由 RUN 和 TRACK/SS 引腳的端接設(shè)置。

兩個輸出均在強制連續(xù)導(dǎo)通模式下工作。在輸出控制電路中，0 μA至200 μA電流源I按，連接到實驗室測試的負電源軌，但它也可以參考 GND。低通濾波器RF1–CF減少快速輸出瞬變。為了降低轉(zhuǎn)換器的成本和尺寸，輸出濾波器使用相對便宜的極化電容器形成?？蛇x二極管D1和D2可防止在這些電容器上產(chǎn)生反向電壓，尤其是在啟動時。如果僅使用陶瓷電容器，則不需要二極管。

轉(zhuǎn)換器測試和評估

該解決方案基于 LTC3892 和評估套件 DC1998A 和 DC2493A 進行了測試和評估。該轉(zhuǎn)換器在許多測試中表現(xiàn)良好，包括線路和負載調(diào)整率、瞬態(tài)響應(yīng)和輸出短路。圖2顯示啟動至6 A負載，輸出為+10 V?？刂齐娏骱洼敵鲭妷褐g的線性度如圖3所示。當控制電流從0 μA增加到200 μA時，輸出電壓從+10 V降至–10 V。 圖4顯示了效率曲線。

圖2.啟動波形進入阻性負載。

圖3.V外作為控制電流I的函數(shù)按.正如我按從0 A增加到200 μA，輸出電壓從+10 V降至–10 V。

圖4.正輸出和負輸出的效率曲線。

一LTspice模型?在雙極性器件中，開發(fā)了兩個端子電源來簡化這種方法的采用，使設(shè)計人員能夠分析和仿真上述電路、引入變化、查看波形和研究元件應(yīng)力。

描述此拓撲的基本公式和表達式

這種方法基于負電源軌 V地中海，由設(shè)計的降壓-升壓部分生成。

其中 V外是最大輸出電壓和K的絕對值m是一個介于 0.1 到 0.3 之間的系數(shù)。Km限制降壓轉(zhuǎn)換器的最小占空比。V地中海還設(shè)置 V 的最小值在:

其中 V麚是降壓部分的輸入電壓，因此在轉(zhuǎn)換器半導(dǎo)體上呈現(xiàn)最大電壓應(yīng)力：

V降壓（最大）和V降壓（最?。┓謩e是此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以用以下表達式描述，其中I外是輸出電流：

PS降壓-升壓部分的占空比：

降壓部分的輸入功率以及相應(yīng)的降壓-升壓輸出功率：

降壓-升壓部分的輸出電流及其電感電流：

轉(zhuǎn)換器功率和輸入電流。

輸出電壓變化是通過向降壓部分的反饋電阻分壓器注入電流來執(zhí)行的。輸出電壓控制的設(shè)置如圖1的輸出電壓控制電路部分所示。

如果 RB被給出，然后

其中 VFB是反饋引腳電壓。

當電流源I按 向 R 注入零電流一個，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為最大正值（V降壓（最大）） 相對于負電源軌和最大輸出電壓（+V外） 相對于 GND。為了給負載產(chǎn)生負輸出電壓（相對于GND），輸出電壓降低到其最小值V降壓（最?。鄬τ谪撦敵鲭妷?（–V外），通過將 ΔI 注入電阻 R一個降壓的分壓器。

數(shù)值示例

通過使用前面的公式，我們可以計算電壓應(yīng)力、通過動力傳動系組件的電流以及雙極性電源控制電路的參數(shù)。例如，以下計算適用于從14 V輸入電壓產(chǎn)生±10 V/6 A的電源。

如果 Km為 0.2，則為 V地中海= –12 V. 驗證最小輸入電壓 V 的條件在≥ |V地中海|.半導(dǎo)體V上的電壓應(yīng)力麚為 26 V。

降壓部分最大電壓為V降壓（最大）= 22 V，相對于負電源軌，設(shè)置輸出電壓 +10 V 相對于 GND。最小電壓，V降壓（最?。? 2 V，對應(yīng)于相對于GND的–10 V輸出電壓。這些最大和最小電壓對應(yīng)于最大和最小占空比D降壓（最大） = 0.846， D降壓（最?。?= 0.077 和 DBB= 0.462。

功率可以通過假設(shè)效率為90%來計算，產(chǎn)生P輸出（BB） = 66.67 W，I輸出（BB） = 5.56 A， IL（BB） = 10.37 A 和 PBB = 74.074 瓦。

對于+10 V的輸出電壓（如圖1所示），控制電路電流ΔI為0 μA，而對于–10 V的輸出電壓，ΔI = 200 μA。

結(jié)論

本文介紹一種雙極性、雙端子電源的設(shè)計。這里討論的方法基于降壓轉(zhuǎn)換器拓撲，這是現(xiàn)代電力電子設(shè)備的主要內(nèi)容，因此有多種形式，從帶有外部組件的簡單控制器到完整的模塊。采用降壓拓撲結(jié)構(gòu)為設(shè)計人員提供了靈活性，并可以選擇使用預(yù)認證部件，從而節(jié)省時間和成本。

審核編輯：郭婷