具短路保護(hù)和停機(jī)功能的負(fù)電壓降壓轉(zhuǎn)換器

引言
負(fù)電壓降壓轉(zhuǎn)換器越來越多地用于對(duì)負(fù)電壓進(jìn)行降壓 (按絕對(duì)值)。需求日益增長(zhǎng)背后的主要原因是開關(guān)變壓器的標(biāo)準(zhǔn)化，這種變壓器通常是由一個(gè)或兩個(gè)副端繞組制成的。例如：倘若某個(gè)系統(tǒng)采用一個(gè)具有兩個(gè)副端繞組的變壓器以產(chǎn)生 ±12V，而且該設(shè)計(jì)還需要 -3.3V，那么工程師們往往傾向于采用不需要改變主變壓器的解決方案，比如：負(fù)電壓降壓轉(zhuǎn)換器。

電路描述和性能
圖 1 示出了一款負(fù)電壓降壓轉(zhuǎn)換器，它可從一個(gè) -12V 電源軌產(chǎn)生 -3.3V/3A 輸出。功率鏈路包含電感器 L1、二極管 D1 和 MOSFET Q1。LTC3805-5 控制器 IC 具有一整套基本功能，包括短路保護(hù) (可以精確地設(shè)定電流水平)、轉(zhuǎn)換器啟用 / 停用以及可編程開關(guān)頻率。

一個(gè)內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器允許直接從輸入電源軌給 IC 施加偏壓。盡管這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)憑借其簡(jiǎn)單性深受許多設(shè)計(jì)師的青睞，但在負(fù)電壓降壓轉(zhuǎn)換器中有兩個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素：檢測(cè)輸出電壓以及遠(yuǎn)程停機(jī)。控制器參考于負(fù)電壓，而輸出電壓和接通 / 關(guān)斷信號(hào)則參考于系統(tǒng)地 (見圖 1)。

為了補(bǔ)償調(diào)節(jié)環(huán)路，采用了一個(gè)基于晶體管 Q3的電流反射鏡。電阻器 RPRG 用于設(shè)置流入電阻器 RFB 中的電流，從而設(shè)定輸出電壓。在本例中，當(dāng)輸出電壓等于 -3.3V 時(shí)，3.31k 的 RPRG 電阻器將流入電阻器 RFB 的電流設(shè)定為 1mA。該電流在電阻器 RFB 兩端產(chǎn)生一個(gè) 0.8V 的壓降，這與內(nèi)部誤差放大器的基準(zhǔn)電壓相等。

圖 1：一個(gè)基于 LTC3805 的負(fù)電壓降壓轉(zhuǎn)換器可從一個(gè) -10V
至 -14V 輸入產(chǎn)生 -3.3V/3A 輸出

任選的停機(jī)電路是基于晶體管 Q2。假如給電阻器 R8 施加 5V 電壓，則 LTC3805-5 將停機(jī)。這兩個(gè)電路均參考于系統(tǒng)地。功率鏈路組件上的電壓應(yīng)力、轉(zhuǎn)移函數(shù)和其他參數(shù)與我們所熟悉的降壓型轉(zhuǎn)換器相似。

如圖 2 所示，效率約為 90%。負(fù)載特性曲線示于圖 3。當(dāng)負(fù)載超過 4.5A 時(shí)，輸出電壓開始下降；當(dāng)負(fù)載為 5.0A 時(shí)，轉(zhuǎn)換器將進(jìn)入短路保護(hù)狀態(tài)。在該狀態(tài)中，輸入電流不超過 20mA。輸出電壓將在短路狀況被清除之后恢復(fù)。在 -40°C 至 70°C 的寬溫度范圍內(nèi)，電壓和負(fù)載調(diào)整率優(yōu)于 ±1%。圖 1 中電路的啟動(dòng)和瞬態(tài)響應(yīng)波形分別示于圖 4 和圖 5。

圖 2：效率與輸入電壓和輸出電流的關(guān)系曲線

圖 3：輸出電壓與輸出電流的關(guān)系曲線 (采用一個(gè) -12V 輸入電壓)

圖 4：滿負(fù)載時(shí)的啟動(dòng)特性

圖 5：瞬態(tài)響應(yīng) (針對(duì)一個(gè)從 1A 至 2.5A 的負(fù)載電流階躍)

結(jié)論
負(fù)電壓降壓轉(zhuǎn)換器是從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 -12V 電源軌產(chǎn)生額外負(fù)電壓軌的常用方法。借助一款具有高效率、過流保護(hù)、快速瞬態(tài)響應(yīng)和平穩(wěn)啟動(dòng)特性的設(shè)計(jì)，這里給出的解決方案可以從一個(gè) -12V 電源軌產(chǎn)生 -3.3V/3A 輸出。