雙極，單輸出和可調(diào)節(jié)電源基于普通的降壓轉(zhuǎn)換器

出處：維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于：2025-03-21 17:11:32 | 424 次閱讀

　　臺(tái)式電源（PS）傾向于具有均勻數(shù)量的端子（忽略底盤(pán)端口），其中一個(gè)正末端和一個(gè)負(fù)端子。使用臺(tái)式電源產(chǎn)生正極性輸出很容易：將減輸出設(shè)置為GND，并在加號(hào)輸出處將正輸出電壓設(shè)置為正。通過(guò)逆轉(zhuǎn)設(shè)置來(lái)產(chǎn)生負(fù)供應(yīng)，同樣容易。但是，產(chǎn)生雙極供應(yīng)，負(fù)載都可以使用正電壓和負(fù)電壓呢？
　　這也相對(duì)容易 - 僅將一個(gè)實(shí)驗(yàn)室通道的正終端連接到另一個(gè)通道的負(fù)端子，并調(diào)用該GND。其他兩個(gè)終端分別是正供應(yīng)和負(fù)供應(yīng)。結(jié)果是具有可用GND，正和負(fù)電壓水平的三端雙極電源。由于使用了三個(gè)端子，因此必須在電源下游的正供應(yīng)和負(fù)供應(yīng)之間進(jìn)行一些切換。
　　如果應(yīng)用程序要求相同的電源終端為正或負(fù)數(shù)，該設(shè)置僅提供兩個(gè)終端為負(fù)載呢？這不是一個(gè)純粹的學(xué)術(shù)問(wèn)題。在汽車(chē)和工業(yè)環(huán)境中有一些應(yīng)用需要雙極，可調(diào)的兩個(gè)終端電源。例如，在外來(lái)窗口著色到測(cè)試和測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用中使用了兩個(gè)末端雙極電源。
　　如前所述，傳統(tǒng)的雙極PS使用三個(gè)輸出端子產(chǎn)生兩個(gè)輸出：正，負(fù)和GND。相比之下，單個(gè)輸出電源應(yīng)僅配備兩個(gè)輸出端子：一個(gè)GND，另一個(gè)可以是正面或負(fù)面的。在這種應(yīng)用中，可以通過(guò)單個(gè)控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，從最小負(fù)到最大值的整個(gè)范圍內(nèi)。有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)雙極供應(yīng)函數(shù)，例如LT8714，一種雙極輸出同步控制器。然而，對(duì)于許多汽車(chē)和工業(yè)制造商來(lái)說(shuō)，測(cè)試和合格專(zhuān)業(yè)的IC需要對(duì)時(shí)間和金錢(qián)進(jìn)行一些投資。相比之下，許多制造商已經(jīng)在無(wú)數(shù)的汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用中使用了預(yù)先資格的降級(jí)（Buck）轉(zhuǎn)換器和控制器。本文展示了當(dāng)專(zhuān)用雙極供應(yīng)IC不是一個(gè)選擇時(shí)，如何使用降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生雙極PS。
　　電路描述和功能
　　圖1顯示了基于巴的轉(zhuǎn)換器解決方案，用于可調(diào)的雙極（兩季度）。輸入電壓范圍為12 V至15 V；輸出是由控制塊調(diào)節(jié)的±10 V范圍內(nèi)的任何電壓，該電壓支持負(fù)載高達(dá)6A。雙輸出升壓控制器IC是該設(shè)計(jì)的中心組件。一個(gè)輸出，每次降壓拓?fù)溥B接，生成穩(wěn)定的–12 V（即，圖1中的–12 V負(fù)軌道，其動(dòng)力序列包括L2，Q2，Q3和輸出濾波器CO2）。　　兩個(gè)端子，雙極，可調(diào)電源的電示意圖

　　圖1：兩個(gè)端子，雙極，可調(diào)電源的電氣示意圖–12 V軌是第二通道的地面，控制器的地面銷(xiāo)也連接到–12 V導(dǎo)軌?？傮w而言，這是一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，其中輸入電壓是–12 V和V in之間的差。該輸出是可調(diào)的，相對(duì)于GND，可以是正的或負(fù)的。請(qǐng)注意，相對(duì)于–12 V導(dǎo)軌，輸出始終是正的，其中包括由L1，Q1，Q4和C O1組成的動(dòng)力列車(chē)。反饋電阻分隔器RB -RA設(shè)置了最大輸出電壓。該分隔線的值通過(guò)輸出電壓控制電路調(diào)節(jié)，該電路可以通過(guò)將電流注入RA來(lái)調(diào)節(jié)輸出到最小輸出電壓（負(fù)輸出）。應(yīng)用程序啟動(dòng)特征是通過(guò)運(yùn)行和跟蹤/SS引腳的終止來(lái)設(shè)置的。
　　兩個(gè)輸出在強(qiáng)制連續(xù)傳導(dǎo)模式下的功能。在輸出控制電路中，0 ?A至200 ?A電流源I CTRL連接到實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的負(fù)軌道，但也可以參考GND。低通濾波器R F1 –C F可減少快速輸出瞬變。為了降低轉(zhuǎn)換器的成本和大小，使用相對(duì)便宜的偏振電容器形成輸出過(guò)濾器?？蛇x的二極管D1和D2阻止了這些電容器之間的反向電壓，尤其是在啟動(dòng)時(shí)。如果僅使用陶瓷電容器，則無(wú)需二極管。
　　轉(zhuǎn)換器測(cè)試和評(píng)估
　　根據(jù)LTC3892和評(píng)估套件DC1998A和DC2493A對(duì)該解決方案進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)估。轉(zhuǎn)換器在許多測(cè)試中都表現(xiàn)良好，包括線和負(fù)載調(diào)節(jié)，瞬態(tài)響應(yīng)和輸出短。圖2顯示了6個(gè)載荷的啟動(dòng)，其中A +10 V輸出。控制電流和輸出電壓之間的函數(shù)的線性性如圖3所示。隨著控制電流從0 ?A增加到200 ?A，輸出電壓從+10 V到–10V。圖4顯示了效率曲線。　　啟動(dòng)波形進(jìn)入電阻載荷

　　圖2：?jiǎn)?dòng)波形進(jìn)入電阻載荷。　　VOUT作為控制當(dāng)前ICTRL的函數(shù)。隨著ICTRL從0 A增加到200 A，輸出電壓從+10 V降至–10V。

　　圖3：VOUT作為控制電流ICTRL的函數(shù)。隨著ICTRL從0 A增加到200 ?A，輸出電壓從+10 V降至–10V。
　　開(kāi)發(fā)了雙極的LTSpice模型，以簡(jiǎn)化這種方法的采用，使設(shè)計(jì)人員能夠分析和模擬上述電路，引入更改，查看波形和研究組件應(yīng)力。　　效率曲線，用于正輸出和負(fù)輸出。

　　圖4：正效率和負(fù)輸出的效率曲線。
　　基本公式和描述這種拓?fù)涞谋磉_(dá)
　　這種方法基于設(shè)計(jì)的負(fù)壓壓部分生成的負(fù)軌，v neg 。
　

vneg=vo你t+vo你t×km （（1）

其中v out是最大輸出電壓的絕對(duì)值，而k m是一個(gè)系數(shù)，范圍從0.1到0.3。 k m限制了降壓轉(zhuǎn)換器的最小占空比。 v neg還設(shè)置了v的最低值：

v我n≥|vneg| （（2）

vb你ck=|vneg|+v我n

其中v buck是降壓截面的輸入電壓，因此在轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體上呈現(xiàn)最大電壓應(yīng)力：

vb你ck（（m一個(gè)x）=|vneg|+vo你t （（3）

vb你ck（（m我n）=|vneg|- vo你t

V Buck（Max）和V Buck（Min）分別是該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的降低部分的最大和最小電壓?？梢酝ㄟ^(guò)以下表達(dá)式來(lái)描述升降部分的最大和最小占空比和電感電流，其中我輸出了輸出電流：

db你ck（（m一個(gè)x）=vb你ck（（m一個(gè)x）/vb你ck （（4）

db你ck（（m我n）=vb你ck（（m我n）/vb你ck

我l（（b你ck）=我o你t+δ我我

PS的Buck-Boost部分的占空比：

dbb=|vneg|/（（v我n+|vneg|）（（5）

降壓部分的輸入功率以及相應(yīng)的降壓功率：降壓功率：

po你t（（bb）=（（vo你t×我o你t）/η （（6）

轉(zhuǎn)換器功率和輸入電流。

我o你t（（bb）=po你t（（bb）/|vneg| （（7）

我l（（bb）=我o你t（（bb）/（（1- dbb）+δ我2

輸出電壓更改是通過(guò)將電流注入升壓部分的反饋電阻分隔器來(lái)執(zhí)行的。圖1的輸出電壓控制電路部分中說(shuō)明了設(shè)置輸出電壓控制。

如果給出了RB，那就

pbb=po你t（（bb）/η （（8）

我bb=pbb/v我n

其中v fb是反饋引腳電壓。

當(dāng)電流源I CTRL將零電流注入r A時(shí)，相對(duì)于GND ，相對(duì)于負(fù)軌道和最大輸出電壓（+ V OUT ），降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是最大正值（V buck（max））。為了使負(fù)載的負(fù)輸出電壓（相對(duì)于GND），將輸出電壓降低到其最小值V buck（min），相對(duì)于負(fù)輸出電壓（–v OUT），將ΔI注入雄鹿電壓分離器的電阻r A中。

　　其中v fb是反饋引腳電壓。
　　當(dāng)電流源I CTRL將零電流注入r A時(shí)，相對(duì)于GND ，相對(duì)于負(fù)軌道和最大輸出電壓（+ V OUT ），降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是最大正值（V buck（max））。為了使負(fù)載的負(fù)輸出電壓（相對(duì)于GND），將輸出電壓降低到其最小值V buck（min），相對(duì)于負(fù)輸出電壓（–v OUT），將ΔI注入雄鹿電壓分離器的電阻r A中。
　　數(shù)值示例
　　通過(guò)使用先前的方程式，我們可以計(jì)算電壓應(yīng)力，通過(guò)動(dòng)力序列組件的電流以及雙極電源的控制電路的參數(shù)。例如，以下計(jì)算是針對(duì)從14 V輸入電壓在6 a處產(chǎn)生±10 V的電源。
　　如果k m為0.2，則v neg = –12 V.驗(yàn)證最小輸入電壓Vin≥ | v neg |。半導(dǎo)體V雄鹿的電壓應(yīng)力為26V。
　　相對(duì)于負(fù)導(dǎo)軌，縮減截面的最大電壓為V buck（最大） = 22 V，相對(duì)于GND設(shè)置了輸出電壓+10 V。最小電壓V buck（min） = 2 V，對(duì)應(yīng)于–10 V相對(duì)于GND的輸出電壓。這些最大和最小電壓對(duì)應(yīng)于最大和最小占空比周期，D Buck（最大） = 0.846，D Buck（min） = 0.077和D BB = 0.462。
　　可以通過(guò)假設(shè)90％的效率來(lái)計(jì)算功率，從而產(chǎn)生P OUT（BB） = 66.67 W，I OUT（BB） = 5.56 A，I L（BB） = 10.37 A，并且P BB = 74.074W。
　　對(duì)于+10 V的輸出電壓（按照?qǐng)D1），控制電路電流ΔI為0 ?A，而對(duì)于–10 V的輸出電壓，ΔI= 200 ?A。
　　結(jié)論
　　本文介紹了雙極，兩端電源的設(shè)計(jì)。這里討論的方法基于降低轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，該拓?fù)涫乾F(xiàn)代電力電子產(chǎn)品的主食，因此有多種形式可用，從具有外部組件的簡(jiǎn)單控制器到完整的模塊。降級(jí)拓?fù)涞氖褂檬乖O(shè)計(jì)師的靈活性和使用預(yù)先資格的零件的選項(xiàng)可以節(jié)省時(shí)間和成本。

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