瑞薩電子教你配置降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)多輸出

電源電路采用電壓步升（boost）或更常見(jiàn)的電壓步降（buck） DC/DC轉(zhuǎn)換器形式?，F(xiàn)在很多應(yīng)用都需要多個(gè)電壓軌來(lái)驅(qū)動(dòng)各種 IC。這些電壓軌可以是反相或非反相、有隔離或沒(méi)有隔離。盡管設(shè)計(jì)工程師一般使用多個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器和單個(gè)濾波電感器，但是這種做法增加了成本、占位面積和厚度。有一種更簡(jiǎn)單的方法是，采用單個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器和耦合電感器或變壓器，將其配置為隔離式轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。設(shè)計(jì)工程師可以使用降壓轉(zhuǎn)換器提供反相或非反相電壓軌，可以將其配置為反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器使用。耦合電感或變壓器也可與降壓-升壓轉(zhuǎn)換器一起使用，以生成具有升壓/降壓功能的多個(gè)反相或非反相輸出。

本文將重點(diǎn)討論各種隔離式/非隔離式 DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，并展示如何用單個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)這些拓?fù)?。我們還將探討其他拓?fù)?，并展示這些拓?fù)涫侨绾芜m合各種應(yīng)用的。

隔離降壓

A. +/-降壓輸出

B. +/+降壓輸出

C. +/+/-降壓輸出

反相降壓-升壓（步升然后步降）輸出

隔離式+/-降壓-升壓輸出

三種DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

基于單個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器生成各種轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是，不需要光耦合器及其相關(guān)電路。這可以縮小占板面積、減少元件數(shù)量、降低復(fù)雜度和成本。除了生成多個(gè)輸出，降壓轉(zhuǎn)換器還可配置成反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，本質(zhì)上提供了升壓功能。此外，設(shè)計(jì)工程師還可以利用類(lèi)似概念，創(chuàng)建隔離式降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

1. 隔離式降壓拓?fù)?/p>

A. +/- 降壓輸出：電路運(yùn)行

用一個(gè)隔離式降壓拓?fù)?，可以生成反相和非反相降壓輸出。圖1顯示了這種拓?fù)淙绾螢樾枰粋€(gè)正電源和一個(gè)負(fù)電源的應(yīng)用提供+/-輸出軌。

圖1. 同步降壓穩(wěn)壓器利用隔離式降壓拓?fù)渖伞?Vout軌

參照?qǐng)D1，主和次級(jí)輸出由下列方程式給出，假定耦合電感或變壓器的漏感和繞組的DC電阻可以忽略不計(jì)：

其中VIN是輸入電壓，VO1和VO2分別是主和次級(jí)輸出，D是占空比，N是變壓器匝數(shù)比，是二極管的正向壓降。

在高壓側(cè)開(kāi)關(guān)接通的周期中（圖1中綠色箭頭指示的電流），主電流斜坡上升，并將電量?jī)?chǔ)存在變壓器的磁化電感和主輸出電容器中。二次側(cè)的二極管反向偏置，二次側(cè)的負(fù)載電流由輸出電容器提供。

在低壓側(cè)開(kāi)關(guān)接通的周期中（圖1中紅色箭頭指示的電流），主電流斜坡下降，并釋放變壓器磁化電感中存儲(chǔ)的能量，一次側(cè)負(fù)載電流由輸出電容器提供。二次側(cè)的二極管正向偏置，電流從變壓器流出供給負(fù)載，為二次側(cè)輸出電容器充電。在穩(wěn)定狀態(tài)下，假定二極管壓降、變壓器繞組電阻和漏感可忽略不計(jì)，二次側(cè)輸出電壓與主輸出電壓成反比。圖2顯示了ISL85413 DEMO3Z +/-輸出隔離降壓演示電路板的工作波形。

圖2. ISL85413DEMO3Z在VIN=9V、VO1=VO2=5V、IO1=IO2=100mA時(shí)的工作波形

B. +/+降壓輸出

仍然運(yùn)用通過(guò)耦合電感器或變壓器生成次級(jí)輸出這個(gè)概念，但二次側(cè)可以按不同方式配置，以生成正或負(fù)的次級(jí)電壓。為了生成正次級(jí)輸出，要將變壓器/耦合電感器和二次側(cè)二極管的極性反過(guò)來(lái)。圖3顯示了隔離式降壓拓?fù)渖蓛蓚€(gè)+VOUT軌。

圖3.生成兩個(gè)+ VOUT軌的隔離式降壓拓?fù)洌↖SL85415DEMO2Z）

C. +/+/-降壓輸出

圖4顯示了生成3個(gè)輸出（2個(gè)+VOUT和1個(gè)-VOUT軌）的隔離式降壓拓?fù)洹?/+/- 隔離降壓演示電路板ISL854102DEMO2Z可用來(lái)展示這種拓?fù)?。就多輸出配置而言，必須考慮不同輸出反射到一次側(cè)的總電流，以確保該IC能夠處理所生成的電流。

圖4. 生成3個(gè)輸出的隔離式降壓拓?fù)洌?個(gè)+VOUT和1個(gè)-VOUT軌（ISL854102DEMO2Z）

針對(duì)以上電路的方程式如下：

其中VO1是主輸出，VO2和VO3分別是正和負(fù)次級(jí)輸出，D是占空比，N1和N2分別是與VO2和VO3對(duì)應(yīng)的變壓器的匝數(shù)比。Vdiode是二極管的正向壓降，IOUT1、IOUT2和IOUT3分別是由VO1、VO2和VO3生成的輸出電流，Ids_pk是通過(guò)頂部開(kāi)關(guān)的峰值電流，△i是主電感器紋波電流的三角部分。

2. 反相降壓-升壓（步升-步降）拓?fù)?/p>

可以從同步降壓轉(zhuǎn)換器派生出反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，連接方式為，將GND端子作為降壓-升壓轉(zhuǎn)換器反相輸出、將降壓轉(zhuǎn)換器的VOUT端子作為降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的GND。圖5是將ISL85415降壓轉(zhuǎn)換器配置成反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的電路框圖。

圖5. 將ISL85415降壓轉(zhuǎn)換器配置成反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

輸出電壓和輸出電流的方程式如下：

其中，VIN是輸入電壓，VO1是輸出電壓，D是占空比，IOUT是輸出電流，IL是電感器電流。

在高壓側(cè)開(kāi)關(guān)接通的周期中（圖5中綠色箭頭指示電流），電感器電流斜坡上升，將能量?jī)?chǔ)存在電感器中，輸出電容器向負(fù)載提供電流。在低壓側(cè)開(kāi)關(guān)接通的周期中（圖5中紅色箭頭指示電流），電感器電流斜坡下降，向負(fù)載提供電流，并為輸出電容器充電。ISL85415EVAL2Z反相降壓-升壓電路板的工作波形如圖6所示。

圖6. ISL85415EVAL2Z在VIN=12V、VO=-5V、IO=-300mA時(shí)的工作波形

3. 隔離式降壓-升壓拓?fù)洌?/- 輸出

可以采用隔離式降壓-升壓拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)±升壓/降壓輸出電壓。濾波電感器可以用變壓器（或耦合電感器）代替，以得到正次級(jí)輸出。圖7顯示了生成±升壓/降壓VOUT軌的隔離式降壓-升壓拓?fù)?。圖8顯示了ISL854102DEMO3Z隔離式降壓-升壓穩(wěn)壓器電路板的工作波形。

圖7. 隔離式降壓-升壓拓?fù)渖伞繴OUT軌

以上電路的電壓和電流方程式如下：

其中VIN是輸入電壓，VO2是次級(jí)輸出電壓，Vdiode是二極管正向壓降，D是占空比，N是變壓器匝數(shù)比，Ids_pk是通過(guò)頂部開(kāi)關(guān)的峰值電流，△i是主電感器紋波電流的三角部分，IOUT1和IOUT2分別是由VO1和VO2,生成的輸出電流。

圖8. ISL854102DEMO3Z在VIN=24V、VO1=VO2=5V、IO1=500mA、IO2=500mA時(shí)的工作波形

其他可能的隔離式降壓轉(zhuǎn)換器配置

堆疊正輸出

在圖3中，我們展示了一種雙正輸出的拓?fù)?。要生成倍壓器?個(gè)不同的正電壓，次級(jí)輸出的負(fù)端子可以連接到正主輸出上，如圖9所示。

圖9. 堆疊正輸出轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

雙穩(wěn)壓和單個(gè)非穩(wěn)壓的正輸出

低壓差（LDO）穩(wěn)壓器可用來(lái)生成雙穩(wěn)壓輸出。圖10顯示了生成雙穩(wěn)壓和單個(gè)非穩(wěn)壓正輸出的配置。在這個(gè)配置中，次級(jí)側(cè)的輸出通過(guò)電阻分壓器將次級(jí)輸出連接到反饋來(lái)調(diào)節(jié)。 主輸出電壓使用LDO調(diào)節(jié)。

圖10. 使用額外的LDO實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)壓輸出

適用于隔離式拓?fù)浠蚱渌祲恨D(zhuǎn)換器配置的應(yīng)用

電氣隔離和多輸出應(yīng)用在各種電源電子電路應(yīng)用中很常見(jiàn)，如：電信，工業(yè)可編程邏輯控制器（PLC），工廠自動(dòng)化，隔離式通信接口（即RS-485、RS-232），用于柵極驅(qū)動(dòng)、傳感器、運(yùn)算放大器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的偏置電源，以及需要正和負(fù)電壓軌的任何應(yīng)用。本節(jié)重點(diǎn)討論幾種應(yīng)用，并解釋如何運(yùn)用各種拓?fù)洹?/p>

1.放大器電源

雙電源放大器比較常見(jiàn)，因?yàn)樗矢?，能夠在不?dǎo)致DC損耗的前提下復(fù)制輸入波形。圖11A顯示了具有±12V軌的音頻放大器，圖11B顯示了具有±5V軌的運(yùn)算放大器。

圖11A. 具有±12V軌的音頻放大器（左圖）

圖11B. 具有±5V軌的運(yùn)算放大器（右圖）

為這類(lèi)應(yīng)用選擇合適的拓?fù)鋾r(shí)，需要考慮輸入電壓。例如，為以±12V軌運(yùn)行的音頻放大器供電，如果輸入電源軌是24V，就選擇隔離式降壓拓?fù)?。如果使?2V電池，就可以用反相降壓-升壓拓?fù)?，以生成?fù)壓軌。如果使用5V USB、12V電池或綠色能源供電的系統(tǒng)，就應(yīng)該采用隔離式降壓-升壓拓?fù)洹D12說(shuō)明了如何用各種拓?fù)浣o音頻放大器供電。

圖12A. 用隔離式降壓拓?fù)涮峁?4V輸入電源

圖12B. 輸入電源為12V電池時(shí)，用反相降壓-升壓拓?fù)渖韶?fù)壓軌

圖12C. 輸入電源為5V USB或12V電池時(shí)，采用隔離式降壓-升壓拓?fù)?/p>

類(lèi)似地，對(duì)以下應(yīng)用中一些既需要正壓軌、又需要負(fù)壓軌的應(yīng)用而言，根據(jù)不同輸入電源軌，可以分別使用圖12A、12B和12C所示的3種拓?fù)洹?/p>

2. IGBT柵極驅(qū)動(dòng)偏置

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器一般用于大功率逆變器應(yīng)用，包括UPS系統(tǒng)、電機(jī)控制、高密度放電（HID）燈鎮(zhèn)流器和感應(yīng)加熱。其他應(yīng)用包括AC和DC變速驅(qū)動(dòng)、工業(yè)/太陽(yáng)能逆變器和伺服驅(qū)動(dòng)。圖13顯示了使用隔離式降壓轉(zhuǎn)換器的具有IGBT柵極驅(qū)動(dòng)偏置的3相逆變器。

圖13. 使用隔離式降壓轉(zhuǎn)換器、具有隔離式IGBT柵極驅(qū)動(dòng)偏置的3相逆變器

3. 采用各種接口標(biāo)準(zhǔn)的線路驅(qū)動(dòng)器、接收器/轉(zhuǎn)換器/緩沖器

現(xiàn)在的電信和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用了各種接口標(biāo)準(zhǔn)。例如，射極耦合邏輯（ECL）、共模邏輯（CML）、低電壓差分信號(hào)（LVDS）等，這些接口標(biāo)準(zhǔn)用在圖形顯示接口、通信設(shè)備的移動(dòng)/服務(wù)器芯片組、消費(fèi)類(lèi)和移動(dòng)應(yīng)用中。類(lèi)似扇出緩沖器、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器、接收器等器件常常需要反相和非反相電源軌。

線路驅(qū)動(dòng)器是用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電子放大器電路，如傳輸線。常常使用差分信號(hào)電路，因?yàn)檫@類(lèi)電路抗噪聲性能較高，能夠更可靠地?cái)y帶高比特率的信號(hào)，因此需要非反相和反相電源軌。

圖14顯示了LVDS/PECL驅(qū)動(dòng)器至CML接收器接口的框圖。

圖14. LVDS/PECL驅(qū)動(dòng)器至CML接收器接口的框圖

4.工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)

可編程邏輯控制器（PLC）常常用在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，用來(lái)控制制造流程。PLC由幾種硬件系統(tǒng)元件組成，需要不同的電源軌。圖15顯示了PLC各種硬件構(gòu)件的電源樹(shù)。

圖15. PLC各種硬件構(gòu)件的電源樹(shù)

應(yīng)用總結(jié)

正如以上討論的，根據(jù)不同的輸入電壓軌，設(shè)計(jì)工程師可以選擇不同的拓?fù)?，?lái)提供適用于各種應(yīng)用的電源軌。表1總結(jié)了適合不同應(yīng)用的拓?fù)洹?/p>

表1.適合不同應(yīng)用的拓?fù)淇偨Y(jié)

結(jié)論

在本文中，我們展示了如何通過(guò)不同的電路配置，用同步降壓轉(zhuǎn)換器生成多個(gè)輸出和反相輸出。我們也為各種拓?fù)?a href="http://wenjunhu.com/v/" target="_blank">推薦了適合的應(yīng)用。用一個(gè)同步降壓轉(zhuǎn)換器代替不同類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器，幫助新手和專(zhuān)家級(jí)電源設(shè)計(jì)師簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)。這種做法還縮小了解決方案占板面積、降低了電路復(fù)雜性和物料成本并縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。