作者：Victor Khasiev ADI公司
簡(jiǎn)介
臺(tái)式電源(PS)往往有偶數(shù)個(gè)端口（忽略機(jī)箱端口）：一個(gè)正端口和一個(gè)負(fù)端口。使用臺(tái)式電源產(chǎn)生正極性輸出很容易：將負(fù)輸出設(shè)置為GND，將正輸出電壓設(shè)置為正輸出。產(chǎn)生負(fù)電源同樣容易，只需將上述設(shè)置反轉(zhuǎn)。但是，如何生產(chǎn)雙極性電源，負(fù)載可以同時(shí)使用正電壓和負(fù)電壓？相對(duì)而言，這也很簡(jiǎn)單——只需將一個(gè)實(shí)驗(yàn)室通道的正端口連接到另一個(gè)通道的負(fù)端口，并稱其為GND。另外兩個(gè)端口（正和負(fù)）分別就是正負(fù)電源。結(jié)果得到一個(gè)三端口雙極性電源，提供GND、正和負(fù)電壓電平。由于使用了三個(gè)端口，因此在電源下游的正電源和負(fù)電源之間必須進(jìn)行某種切換。
如果應(yīng)用要求同一電源端口為正或負(fù)（僅向負(fù)載提供兩個(gè)端口的設(shè)置），該怎么辦？這不是一個(gè)純學(xué)術(shù)問(wèn)題。在汽車和工業(yè)環(huán)境中，有些應(yīng)用需要雙極性、可調(diào)節(jié)的雙端口電源。例如，從具異國(guó)風(fēng)情的玻璃貼膜到測(cè)試測(cè)量設(shè)備，這些應(yīng)用會(huì)使用雙端口雙極性電源。
如前所述，傳統(tǒng)雙極性電源使用三個(gè)輸出端口產(chǎn)生兩路輸出：正、負(fù)和GND。相比之下，單路輸出電源應(yīng)僅配備兩個(gè)輸出端口：一個(gè)GND和另一個(gè)可以為正也可以為負(fù)的輸出端口。在此類應(yīng)用中，輸出電壓可以通過(guò)單個(gè)控制信號(hào)在從最小負(fù)值到最大正值的全部范圍內(nèi)相對(duì)于GND調(diào)節(jié)。
有些控制器專門用于實(shí)現(xiàn)雙極性電源功能，例如雙極性輸出同步控制器LT8714。然而，對(duì)于許多汽車和工業(yè)制造商而言，對(duì)專用IC進(jìn)行測(cè)試和認(rèn)證需要一些時(shí)間和金錢上的投入。相比之下，許多制造商已經(jīng)擁有預(yù)認(rèn)證的降壓轉(zhuǎn)換器和控制器，因?yàn)闊o(wú)數(shù)汽車和工業(yè)應(yīng)用中都會(huì)用到這些器件。本文介紹在不能選擇專用雙極性電源IC時(shí)如何利用降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生雙極性電源。
電路描述及功能
圖1顯示了基于降壓轉(zhuǎn)換器的雙極性（二象限）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(dá)6 A的負(fù)載。雙路輸出降壓控制器IC是此設(shè)計(jì)的核心器件。每個(gè)降壓-升壓拓?fù)溥B接的一路輸出產(chǎn)生穩(wěn)定的-12 V電壓（即圖1中的-12 V負(fù)軌，其功率鏈路包括L2、Q2、Q3和輸出濾波器CO2 ）。
-12 V電壓軌用作第二通道的接地，控制器的接地引腳也連接到-12 V電壓軌。總的來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓為-12 V和VIN 之間的差值。輸出可調(diào)，相對(duì)于GND可正可負(fù)。請(qǐng)注意，相對(duì)于-12 V電壓軌，輸出始終為正，其功率鏈路包括L1、Q1、Q4和CO1 。反饋電阻分壓器RB -RA 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)，此電路可通過(guò)向RA 注入電流來(lái)將輸出調(diào)節(jié)至最小輸出電壓（負(fù)輸出）。應(yīng)用啟動(dòng)特性由RUN和TRACK/SS引腳的端接電阻設(shè)置。
兩路輸出均在強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式下工作。在輸出控制電路中，0μA至200μA電流源ICTRL 在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)連接到負(fù)軌，但也可以GND為基準(zhǔn)。低通濾波器RF1 -CF 可降低快速輸出瞬變。為了縮減轉(zhuǎn)換器的成本和尺寸，使用相對(duì)便宜的極化電容形成輸出濾波器�？蛇x二極管D1和D2用于防止這些電容上產(chǎn)生反向電壓，尤其是在啟動(dòng)時(shí)。如果僅使用陶瓷電容，則不需要二極管。
轉(zhuǎn)換器測(cè)試和評(píng)估
本解決方案基于LTC3892和評(píng)估套件DC1998A與DC2493A進(jìn)行過(guò)測(cè)試和評(píng)估。該轉(zhuǎn)換器在眾多測(cè)試中表現(xiàn)良好，包括電壓和負(fù)載調(diào)整、瞬態(tài)響應(yīng)以及輸出短路。圖2顯示了啟動(dòng)至6 A負(fù)載、輸出為+10 V的情況�？刂齐娏骱洼敵鲭妷褐g的函數(shù)線性度如圖3所示。隨著控制電流從0μA增加到200μA，輸出電壓從+10 V降至-10 V。圖4顯示了效率曲線。
圖 1. 兩端子、雙極性、可調(diào)節(jié)電源的電氣原理圖
圖 2.進(jìn)入電阻負(fù)載的啟動(dòng)波形
圖 3.VOUT 與控制電流 ICTRL 的關(guān)系。當(dāng) ICTRL 從 0 A增加到 200μA時(shí)，輸出電壓從 +10 V降至 -10 V。
圖 4.正負(fù)輸出的效率曲線
我們開(kāi)發(fā)了該雙極性、雙端子電源的LTspice® 模型，以簡(jiǎn)化該方法的采用，允許設(shè)計(jì)人員分析和仿真上述電路，引入變化，查看波形，以及研究器件應(yīng)力。
描述此拓?fù)涞幕竟胶捅磉_(dá)式
這種方法基于設(shè)計(jì)的降壓-升壓部分產(chǎn)生的負(fù)電壓軌VNEG 。
VNEG = VOUT + VOUT × Km (1)
其中，VOUT 為最大輸出電壓的絕對(duì)值，Km 為0.1到0.3的系數(shù)。Km 限制降壓轉(zhuǎn)換器的最小占空比。VNE G還設(shè)置VIN 的最小值：
VIN ≥ |VNEG | (2)
VBUCK = |VNEG | + VIN
其中VBUCK 為降壓部分的輸入電壓，因而表示轉(zhuǎn)換器半導(dǎo)體器件上的最大電壓應(yīng)力：
VBUCK(MAX) = |VNEG | + VOUT (3)
VBUCK(MIN) = |VNEG | – VOUT
VBUCK(MAX) 和VBUCK(MIN) 分別為該拓?fù)涞慕祲翰糠值淖畲蠛妥钚‰妷�。降壓部分的最大和最小占空比以及電感電流可用以下表達(dá)式描述，其中IOUT 為輸出電流：
DBUCK(MAX) = VBUCK(MAX) /VBUCK (4)
DBUCK(MIN) = VBUCK(MIN) /VBUCK
LBB = IOUT + Δ/ 1
電源降壓-升壓部分的占空比：
DBB = |VNEG | /(VIN + |VNEG | ) (5)
降壓部分的輸入功率以及相應(yīng)的降壓-升壓輸出功率：
POUT(BB) = (VOUT × IOUT )/η (6)
轉(zhuǎn)換器功率和輸入電流：
IOUT(BB) = POUT(BB) /|VNEG | (7)
IL(BB) = IOUT(BB) /(1 – DBB ) + Δ/ 2
輸出電壓變化是通過(guò)將電流注入降壓部分的反饋電阻分壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖1的輸出電壓控制電路部分顯示了如何設(shè)置輸出電壓控制。
如果給定RB ，那么
PBB = POUT(BB) /η (8)
IBB = PBB /VIN
其中VFB 為反饋引腳電壓。
當(dāng)電流源ICTRL 將零電流注入RA 時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是相對(duì)于負(fù)軌的最大正值(VBUCK(MAX) )和相對(duì)于GND的最大輸出電壓(+VOUT )。為了給負(fù)載產(chǎn)生負(fù)輸出電壓（相對(duì)于GND），須將ΔI注入降壓分壓器的電阻RA ，使輸出電壓降至相對(duì)于負(fù)輸出電壓(-VOUT )的最小值VBUCK(MIN) 。
數(shù)值示例
通過(guò)使用前面的公式，我們可以計(jì)算雙極性電源的電壓應(yīng)力、流過(guò)功率鏈路器件的電流以及控制電路的參數(shù)。例如，以下計(jì)算是針對(duì)一個(gè)從14 V輸入電壓產(chǎn)生6 A、±10 V輸出的電源。
如果Km 為0.2，則VNEG = -12 V。驗(yàn)證最小輸入電壓VIN ≥ | VNEG |的條件。半導(dǎo)體器件VBUCK 上的電壓應(yīng)力為26 V。
降壓部分的最大電壓為VBUCK(MAX) = 22 V，相對(duì)于負(fù)電壓軌；輸出電壓設(shè)置為+10 V，相對(duì)于GND。最小電壓VBUCK(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，DBUCK(MAX) = 0.846，DBUCK(MIN) = 0.077，DBB = 0.462。
功率可通過(guò)假設(shè)效率為90%來(lái)計(jì)算，產(chǎn)生POUT(BB) = 66.67 W，IOUT(BB) = 5.56 A，IL(BB) = 10.37 A，PBB = 74.074 W。
對(duì)于+10 V的輸出電壓（根據(jù)圖1），控制電路電流ΔI為0μA，而對(duì)于-10 V的輸出電壓，ΔI = 200μA。
結(jié)論
本文介紹了一種雙極性、雙端子電源設(shè)計(jì)。這里討論的方法基于降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是現(xiàn)代電源電子的主力技術(shù)，因此能以各種形式提供，從帶外部器件的簡(jiǎn)單控制器到完整模塊應(yīng)有盡有。采用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以賦予設(shè)計(jì)人員靈活性，并且可以選擇使用預(yù)認(rèn)證器件，從而節(jié)省時(shí)間和成本。
Victor Khasiev
Victor Khasiev [victor.khasiev@analog.com]是ADI公司高級(jí)應(yīng)用工程師。Victor在交流-直流和直流-直流轉(zhuǎn)換電源電子方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。他擁有兩項(xiàng)專利，撰寫了多篇文章。這些文章涉及ADI半導(dǎo)體器件在汽車和工業(yè)應(yīng)用中的使用，包括升壓、降壓、SEPIC、正到負(fù)、負(fù)到負(fù)、反激式、正激式轉(zhuǎn)換器和雙向備用電源。他的專利與高效功率因數(shù)校正解決方案和先進(jìn)柵極驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。Victor樂(lè)于為ADI客戶提供支持，解答有關(guān)ADI產(chǎn)品的問(wèn)題，排查故障，參與測(cè)試最終系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證電源原理圖與印刷電路板布局。
