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基于公共降压转换器的双极性,单路输出和可调电源

台式电源(PS)往往具有偶数个端子(忽略机箱端口),其中有一个正极端子和一个负极端子。使用台式电源产生正极性输出很容易:将负极输出设置为GND,将正极输出电压设置为正极输出。通过反转设置产生负电源也很容易。但是,如果产生一个双极性电源,负载可以同时使用正电压和负电压,那又如何呢?

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通道的负极端子,然后将其称为GND即可。其他两个端子,负号和正号分别是正电源和负电源。结果是具有可用GND,正电压和负电压电平的三端双极电源。由于使用了三个端子,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。

如果应用程序要求同一电源端子为正极或负极(在仅向负载提供两个端子的设置中),该怎么办?这不是一个纯粹的学术问题。在汽车和工业环境中,有一些应用需要双极可调两端电源。例如,两个端子双极电源用于各种应用,从特殊的窗口着色到测试和测量设备。

如前所述,传统的双极性PS使用三个输出端子(正,负和GND)产生两个输出。相反,单个输出电源应仅配备两个输出端子:一个GND,另一个可以为正或负。在此类应用中,可通过单个控制信号在从最小负值到最大正值的整个范围内相对于GND调节输出电压。有些控制器是专门为实现双极性电源功能而设计的,例如LT8714,即双极性输出同步控制器。然而,对于许多汽车和工业制造商而言,测试和鉴定专用IC都需要一些时间和金钱上的投资。相比之下,许多制造商已经对降压(buck)转换器和控制器进行了资格预审,因为它们用于无数的汽车和工业应用。本文说明了在无法使用专用双极性电源IC的情况下如何使用降压转换器来产生双极性PS。

 

电路说明和功能

图1显示了基于降压转换器的双极性(twoquadrant)可调电源解决方案。输入电压范围为12 V至15 V;输出是在±10 V范围内的任何电压,由控制模块调节,可支持高达6 A的负载。双输出降压控制器IC是该设计的核心组件。每个降压-升压拓扑结构连接的一个输出产生稳定的–12 V(即,图1中的–12 V负轨,其功率链包括L2,Q2,Q3和输出滤波器CO2)。


两端子双极可调电源的电气原理图

                                图1:两端子,双极性,可调电源的电气原理图

 

–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,这是一个降压型降压转换器,其中输入电压为–12 V和V IN之间的差。输出是可调的,相对于GND可以为正或负。请注意,输出始终相对于–12 V电源轨为正,并包括一个包含L1,Q1,Q4和C O1的动力总成。反馈电阻分压器RB–RA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,该电路可通过将电流注入RA来将输出降低至最小输出电压(负输出)。通过RUN和TRACK / SS引脚的终止来设置应用程序的启动特性。

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,如实验室中测试的那样,0 µA至200 µA电流源I CTRL连接到负轨,但也可以参考GND。低通滤波器R F1 –C F减少了快速的输出瞬变。为了降低转换器的成本和尺寸,使用相对便宜的极化电容器形成输出滤波器。可选的二极管D1和D2可防止在这些电容器两端产生反向电压,尤其是在启动时。如果仅使用陶瓷电容器,则无需二极管。

 

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均表现良好,包括线路和负载调节,瞬态响应和输出短路。图2显示启动至6 A负载,输出为+10V。控制电流和输出电压之间的函数线性关系如图3所示。随着控制电流从0 µA增加到200 µA,输出电压从+10 V减小到–10V。图4显示了效率曲线。


启动波形进入阻性负载

                                             图2:进入电阻负载的启动波形。

VOUT是控制电流ICTRL的函数。 当ICTRL从0 A增加到200 µA时,输出电压从+10 V下降至–10V。

图3:VOUT作为控制电流ICTRL的函数。当ICTRL从0 A增加到200 µA时,输出电压从+10 V下降至–10V。

 

开发了双极性,两端电源的LTspice®模型以简化该方法的采用,从而使设计人员能够分析和仿真上述电路,引入变化,查看波形并研究组件应力。


正输出和负输出的效率曲线。

                                         图4:正输出和负输出的效率曲线。

 

描述此拓扑的基本公式和表达式

此方法基于设计的降压-升压部分产生的负电压轨V NEG。

VNEG=VOUT+VOUT×Km   

其中,V OUT是最大输出电压的绝对值,K m是介于0.1到0.3之间的系数。K m限制了降压转换器的最小占空比。V NEG还设置V IN的最小值:

其中V BUCK是降压部分的输入电压,从而给出了转换器半导体上的最大电压应力:

VBUCK(MAX)=|VNEG|+VOUT    (3)"

当电流源I CTRL向R A注入零电流时,降压转换器的输出电压相对于负电源轨为最大正值(V BUCK(MAX)),相对于GND为最大输出电压(+ V OUT)。为了对负载产生一个负输出电压(相对于GND ),通过将ΔI注入电阻器R A中,相对于负输出电压(–V OUT),输出电压减小至最小值V BUCK(MIN)。降压器的分压器。

 

数值范例

通过使用前面的公式,我们可以计算电压应力,流经动力总成组件的电流以及双极电源的控制电路参数。例如,以下计算是针对从14 V输入电压在6 A下产生±10 V的电源的。

如果K m为0.2,则V NEG = –12V。最小输入电压V IN的验证条件≥| V NEG |。半导体的V BUCK上的电压应力为26V。

相对于负轨,降压部分的最大电压为V BUCK(MAX) = 22 V,相对于GND设置输出电压+10V。最小电压V BUCK(MIN) = 2 V,对应于相对于GND的–10 V的输出电压。这些最大和最小电压对应于最大和最小占空比,D BUCK(MAX) = 0.846,D BUCK(MIN) = 0.077,D BB = 0.462。

可以通过假设效率为90%,产生P OUT(BB) = 66.67 W,I OUT(BB) = 5.56 A,I L(BB) = 10.37 A和P BB = 74.074 W来计算功率。

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

本文提出了一种双极性,两端子电源的设计。此处讨论的方法基于降压转换器拓扑结构,这是现代电力电子技术的基础,因此可以采用多种形式使用,从带有外部组件的简单控制器到完整的模块。采用降压拓扑结构可以使设计人员具有灵活性,并可以选择使用经过预认证的零件,从而节省了时间和成本。

 

关于作者

Victor Khasiev是ADI的高级应用工程师。Victor在交流至直流和直流至直流转换的电力电子领域拥有丰富的经验。他拥有两项专利,并撰写了多篇文章。他的专利涉及高效的功率因数校正解决方案和先进的栅极驱动器。Victor很乐意为ADI客户提供支持:回答有关ADI产品,电源原理图的设计和验证以及印刷电路板布局的问题;故障排除; 并参与测试最终系统。