基于公共降压转换器的双极性、单输出和可调电源

作者：Victor Khasiev

台式电源 （PS）往往具有偶数个端子（忽略机箱端口），其中一个正端子和一个负端子。使用台式电源产生正极性输出非常简单：将负输出设置为 GND，将正输出电压设置为正输出。通过反转设置来产生负电源同样容易。但是，如果产生双极性电源，负载可以使用正电压和负电压呢？这也相对容易——只需将一个实验室通道的正极端子连接到另一个通道的负极并调用该 GND。另外两个端子，负和正，分别是正电源和负电源。结果是一个三端子双极性电源，具有可用的GND、正和负电压电平。由于使用三个端子，因此必须在电源下游的正电源和负电源之间进行一些切换。

如果应用要求同一电源端子为正或负，即仅向负载提供两个端子的设置，该怎么办？这不是一个纯粹的学术问题。汽车和工业环境中的应用需要双极性、可调双端子电源。例如，两个端子双极电源用于从异国情调的窗户着色到测试和测量设备的各种应用。

如前所述，传统的双极性PS使用三个输出端子产生两个输出：正、负和GND。相比之下，单个输出电源应仅配备两个输出端子：一个GND，另一个可以是正极或负极。在此类应用中，输出电压可以通过单个控制信号在从最小负到最大正的整个范围内调节。

有些控制器是专门为实现双极性电源功能而设计的，例如双极性输出同步控制器LT8714。然而，对于许多汽车和工业制造商来说，测试和鉴定专用IC需要投入大量的时间和金钱。相比之下，许多制造商已经拥有经过资格预审的降压转换器和控制器，因为它们用于无数汽车和工业应用。本文介绍如何在无法选择专用双极性电源IC的情况下使用降压转换器产生双极性PS。

电路描述和功能

图1所示为基于降压转换器的双极性（两象限）可调电源解决方案。输入电压范围为 12 V 至 15 V;输出为 ±10 V 范围内的任何电压，由控制块调节，支持高达 6 A 的负载。双输出降压控制器IC是该设计的核心元件。每个降压-升压拓扑连接一个输出，产生稳定的–12 V电压（即图1中的–12 V负电源轨，其动力传动系包括L2、Q2、Q3和输出滤波器CO2).

图1.电气原理图为两端，双极性，可调电源。

–12 V 电源轨用作第二个通道的接地，控制器的接地引脚也连接到 –12 V 电源轨。总体而言，这是一款降压转换器，其输入电压为–12 V和V之差在.输出可调，可以相对于GND为正或负。请注意，输出相对于–12 V电源轨始终为正，包括一个由L1、Q1、Q4和C组成的动力传动系O1.反馈电阻分压器 RB–R一个设置最大输出电压。该分压器的值由输出电压控制电路调节，该电路可以通过向R注入电流将输出调节到最小输出电压（负输出）一个.应用启动特性由 RUN 和 TRACK/SS 引脚的端接设置。

两个输出均在强制连续导通模式下工作。在输出控制电路中，0 μA至200 μA电流源I按，连接到实验室测试的负电源轨，但它也可以参考 GND。低通滤波器RF1–CF减少快速输出瞬变。为了降低转换器的成本和尺寸，输出滤波器使用相对便宜的极化电容器形成。可选二极管D1和D2可防止在这些电容器上产生反向电压，尤其是在启动时。如果仅使用陶瓷电容器，则不需要二极管。

转换器测试和评估

该解决方案基于 LTC3892 和评估套件 DC1998A 和 DC2493A 进行了测试和评估。该转换器在许多测试中表现良好，包括线路和负载调整率、瞬态响应和输出短路。图2显示启动至6 A负载，输出为+10 V。控制电流和输出电压之间的线性度如图3所示。当控制电流从0 μA增加到200 μA时，输出电压从+10 V降至–10 V。 图4显示了效率曲线。

图2.启动波形进入阻性负载。


图3.V外作为控制电流I的函数按.正如我按从0 A增加到200 μA，输出电压从+10 V降至–10 V。


图4.正输出和负输出的效率曲线。

一LTspice模型®在双极性器件中，开发了两个端子电源来简化这种方法的采用，使设计人员能够分析和仿真上述电路、引入变化、查看波形和研究元件应力。

描述此拓扑的基本公式和表达式

这种方法基于负电源轨 V地中海，由设计的降压-升压部分生成。



其中 V外是最大输出电压和K的绝对值m是一个介于 0.1 到 0.3 之间的系数。Km限制降压转换器的最小占空比。V地中海还设置 V 的最小值在:



其中 V麚是降压部分的输入电压，因此在转换器半导体上呈现最大电压应力：



V降压（最大）和V降压（最小）分别是此拓扑的降压部分的最大和最小电压。降压部分的最大和最小占空比以及电感电流可以用以下表达式描述，其中I外是输出电流：



PS降压-升压部分的占空比：



降压部分的输入功率以及相应的降压-升压输出功率：



降压-升压部分的输出电流及其电感电流：



转换器功率和输入电流。



输出电压变化是通过向降压部分的反馈电阻分压器注入电流来执行的。输出电压控制的设置如图1的输出电压控制电路部分所示。

如果 RB被给出，然后



其中 VFB是反馈引脚电压。

当电流源I按 向 R 注入零电流一个，降压转换器的输出电压为最大正值（V降压（最大）） 相对于负电源轨和最大输出电压（+V外） 相对于 GND。为了给负载产生负输出电压（相对于GND），输出电压降低到其最小值V降压（最小），相对于负输出电压 （–V外），通过将 ΔI 注入电阻 R一个降压的分压器。



数值示例

通过使用前面的公式，我们可以计算电压应力、通过动力传动系组件的电流以及双极性电源控制电路的参数。例如，以下计算适用于从14 V输入电压产生±10 V/6 A的电源。

如果 Km为 0.2，则为 V地中海= –12 V. 验证最小输入电压 V 的条件在≥ |V地中海|.半导体V上的电压应力麚为 26 V。

降压部分最大电压为V降压（最大）= 22 V，相对于负电源轨，设置输出电压 +10 V 相对于 GND。最小电压，V降压（最小）= 2 V，对应于相对于GND的–10 V输出电压。这些最大和最小电压对应于最大和最小占空比D降压（最大） = 0.846， D降压（最小） = 0.077 和 DBB= 0.462。

功率可以通过假设效率为90%来计算，产生P输出（BB） = 66.67 W，I输出（BB） = 5.56 A， IL（BB） = 10.37 A 和 PBB = 74.074 瓦。

对于+10 V的输出电压（如图1所示），控制电路电流ΔI为0 μA，而对于–10 V的输出电压，ΔI = 200 μA。

结论

本文介绍一种双极性、双端子电源的设计。这里讨论的方法基于降压转换器拓扑，这是现代电力电子设备的主要内容，因此有多种形式，从带有外部组件的简单控制器到完整的模块。采用降压拓扑结构为设计人员提供了灵活性，并可以选择使用预认证部件，从而节省时间和成本。