突破約束：基于簡(jiǎn)單降壓控制器的精密雙極性電源設(shè)計(jì)

　　簡(jiǎn)介

　　工業(yè)、汽車、IT和網(wǎng)絡(luò)公司是電源電子、半導(dǎo)體、器件和系統(tǒng)的主要購買者與消費(fèi)者。這些公司使用各種可用的DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用不同形式的降壓、升壓和SEPIC結(jié)構(gòu)。理想情況下，這些公司會(huì)針對(duì)每個(gè)新項(xiàng)目使用專門的控制器。然而，采用新芯片需要大量投資，因?yàn)楸仨毣ㄙM(fèi)很多時(shí)間和成本來測(cè)試新器件是否符合汽車標(biāo)準(zhǔn)，以及驗(yàn)證其在特定應(yīng)用、條件和設(shè)備中的功能。顯然，為了降低開發(fā)和設(shè)計(jì)成本，不同應(yīng)用應(yīng)采用已經(jīng)過批準(zhǔn)和驗(yàn)證的控制器。

　　用于生成電源的最常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是降壓轉(zhuǎn)換器。但是，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅限于從高于輸出的輸入電壓產(chǎn)生正輸出。當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓時(shí)，不能直接利用它來產(chǎn)生負(fù)電壓或提供穩(wěn)定的輸出。產(chǎn)生輸出的這兩個(gè)方面在汽車電子中均很重要，因?yàn)樾枰?fù)電壓來為放大器供電，或者當(dāng)輸入電壓軌顯著降低時(shí)，在冷起動(dòng)的情況下整個(gè)系統(tǒng)必須連續(xù)正常工作。本文詳細(xì)介紹了在SEPIC、Cuk和升壓轉(zhuǎn)換器中使用簡(jiǎn)單降壓控制器的方法。

　　從公共輸入軌產(chǎn)生負(fù)電壓和正電壓

　　圖1顯示了基于單個(gè)降壓控制器(具有兩路輸出)的雙極性電源設(shè)計(jì)。

　　為了最大限度地利用該芯片，必須使用一路輸出來產(chǎn)生正電壓，使用第二路輸出來產(chǎn)生負(fù)電壓。此電路的輸入電壓范圍為6 V至40 V。VOUT1產(chǎn)生10 A、3.3 V的正電壓，VOUT2產(chǎn)生3 A、-12 V的負(fù)電壓。兩路輸出均由U1控制。第一路輸出VOUT1是簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器。第二路輸出的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜一些。VOUT2相對(duì)于GND為負(fù)，故使用差分放大器U2來檢測(cè)負(fù)電壓并將其調(diào)整為0.8 V基準(zhǔn)電壓。在這種方法中，U1和U2均以系統(tǒng)GND為基準(zhǔn)，這大大簡(jiǎn)化了電源的控制和功能。如果需要其他輸出電壓，以下表達(dá)式有助于計(jì)算RF2和RF3的電阻值。

　　圖1.LTC3892的電氣原理圖，可產(chǎn)生正負(fù)電壓。VOUT1為10 A、3.3 V，VOUT2為3 A、-12 V。

　　VOUT2電源系采用Cuk拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)中對(duì)此有廣泛介紹。為了解電源系元件上的電壓，需要使用以下基本公式。

　　VOUT2效率曲線如圖2所示。這種方法的LTspice?仿真模型參見此處。在本例中，LTC3892 轉(zhuǎn)換器的輸入為10 V至20 V。輸出電壓為10 A、+5 V和5 A、-5 V。

　　圖2.14 V輸入電壓時(shí)負(fù)輸出的效率曲線。

　　從波動(dòng)輸入軌產(chǎn)生穩(wěn)定電壓

　　圖3所示轉(zhuǎn)換器的電氣原理圖支持兩路輸出：VOUT1為10A、3.3 V，VOUT2為3 A、12 V。輸入電壓范圍為6 V至40 V。VOUT1以類似方式創(chuàng)建，如圖1所示。第二路輸出是SEPIC轉(zhuǎn)換器。與上面的Cuk一樣，該SEPIC轉(zhuǎn)換器基于非耦合的雙分立電感解決方案。分立扼流圈的使用顯著擴(kuò)大了可用磁性材料的范圍，這對(duì)于成本敏感型器件非常重要。

　　圖3.SEPIC結(jié)構(gòu)的LTC3892在降壓應(yīng)用中的電氣原理圖。

　　圖4和圖5顯示了該轉(zhuǎn)換器在電壓下降和達(dá)到尖峰時(shí)(例如在冷起動(dòng)或電源切斷時(shí))的功能。軌電壓VIN圍繞相對(duì)標(biāo)稱值12 V下降或上升。但是，VOUT1和VOUT2均處于穩(wěn)壓狀態(tài)，為關(guān)鍵負(fù)載提供穩(wěn)定的電源。雙電感SEPIC轉(zhuǎn)換器可以輕松重新連接成單電感升壓轉(zhuǎn)換器。

　　圖4.軌電壓從14 V降至7 V，VOUT1和VOUT2均處于穩(wěn)壓狀態(tài)。

　　圖5.軌電壓從14 V升至24 V，但VOUT1和VOUT2均處于穩(wěn)壓狀態(tài)。

　　相關(guān)LTspice仿真模型參見此處。它顯示LTC3892轉(zhuǎn)換器的輸入為10 V至20 V。輸出電壓為10 A、+5 V和5 A、-5 V。

　　結(jié)論

　　本文介紹了基于降壓控制器構(gòu)建雙極性和雙輸出電源的方法。這種方法支持在降壓、升壓、SEPIC和Cuk拓?fù)渲惺褂孟嗤目刂破?。這對(duì)于汽車和工業(yè)電子供應(yīng)商來說非常重要，因?yàn)橐坏┙?jīng)過核準(zhǔn)，他們便可基于同一控制器設(shè)計(jì)出提供各種輸出電壓的電源。

　　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，并撰寫了多篇文章。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樂于為ADI公司客戶提供技術(shù)支持，解答有關(guān)ADI公司產(chǎn)品、電源原理圖設(shè)計(jì)和驗(yàn)證、印刷電路板布局、故障排查以及最終系統(tǒng)測(cè)試的問題。