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一款四象限直流開關穩(wěn)壓器的設計與實現(xiàn)

發(fā)布時間:2014-12-26 責任編輯:echolady

【導讀】在電路中,開關穩(wěn)壓器與電容等元器件一樣產(chǎn)生輸出電壓,正因為這一功能使得開關穩(wěn)壓器被用于給特定的負載提供電壓或電流。雖然很多方法都能實現(xiàn)這種電壓或電流的提供,但是本文要講解的四象限直流開關穩(wěn)壓器有其獨特的優(yōu)勢。

很多的傳統(tǒng)方法都能實現(xiàn)這種電壓和電流的提供,但是條件就是負載的兩個端子不能直接進行接地。在很多電子系統(tǒng)中,有必要為特定類型負載提供雙極性(正和負)電壓或電流。需要雙極性電壓/電流的負載包括FPGA體偏置應用、熱電冷卻器、DC電動機以及其他很多類型的應用。

有很多傳統(tǒng)方法可為負載提供雙極性電壓/電流。H橋式設計經(jīng)常使用,但是要求負載的兩個端子均不能直接接地。負載的兩個端子均須在正電源軌和地之間擺動,為了濾除這種斬波波形,通常會給負載串聯(lián)一個電感器。負載不能直接接地可能使整個系統(tǒng)的機械及電氣設計復雜化。H橋式方法還需要4個開關組件和更加復雜的控制方法。有些負載有負端子,這種端子不能施加高偏壓(相對于地),例如:FPGA反向偏壓應用。

另一種傳統(tǒng)方法是建立兩個電源軌,一個正軌和一個負軌。人們使用各種不同的電路在穩(wěn)壓的正或負軌中“進行掉換”,以實現(xiàn)電壓可低于地的雙極性工作。這導致一種非常復雜的系統(tǒng),一般而言效率較低,而且當輸出電壓跨越地電位時,會產(chǎn)生非線性響應。

本文給出一種新的DC/DC開關架構(gòu),該架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的4象限工作,這意味著,輸出電壓可以為正或負,電流也可以在兩個方向上流動。此外,這種新架構(gòu)產(chǎn)生的輸出電壓能夠從一種極性向另一種極性、穿過地電位平滑轉(zhuǎn)換,而且這種轉(zhuǎn)換模式不產(chǎn)生任何非線性問題。

四象限D(zhuǎn)C/DC轉(zhuǎn)換器

一款四象限直流開關穩(wěn)壓器的設計與實現(xiàn)
圖1 四象限D(zhuǎn)C/DC轉(zhuǎn)換器拓撲
 
圖1顯示了這種4象限轉(zhuǎn)換器的基本連接和組件。NFET(MN)和PFET(MP)之間在反相以及恒定開關頻率工作。電流模式控制(圖1中未顯示)在需要時用來調(diào)制MN的占空比。

如果我們假定,該電路以固定頻率工作,那么MN接通時間的占空比可以計算如下:
一款四象限直流開關穩(wěn)壓器的設計與實現(xiàn)
從這個等式中可以清楚地看出,在VIN電壓為正時,輸出電壓VOUT可以為正(最高為VIN)或負(僅受實際DC因素的限制),也可以為0V。實際上,0V輸出電平并沒什么特殊之處,因為在這個工作點上,該轉(zhuǎn)換器DC的占空比為50%.

無論輸出電壓是什么極性,該轉(zhuǎn)換器的輸出都可以吸收或提供電流,從而使這個電路成為真正以4象限工作的拓撲。MN和MP上的最高漏極至源極電壓均為2VIN– VOUT。例如,如果VIN為+12V,VOUT為-12V,那么兩個FET的BVDSS額定值必須都高于36V。

四象限拓撲中的LT8710

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圖2 用LT8710構(gòu)成的4象限轉(zhuǎn)換器
 
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T8710可用于4象限拓撲。圖2顯示了一個配置為這種拓撲的完整電路,該電路已經(jīng)過全面測試。這個電路的輸入電壓典型值為12V,但是允許范圍為11V至13V。輸出在+5V至-5V范圍內(nèi)可調(diào),輸出電流可達±3A。模擬控制信號VCNTL用來調(diào)節(jié)輸出電壓。LT8710是一款80V控制器,因此可用來構(gòu)成提供更高或更低電壓及電流的其他很多版本之4象限轉(zhuǎn)換器。

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圖3 正弦波輸出電壓穿過0V
 
該轉(zhuǎn)換器的4象限工作能力如圖3所示。其中,正弦曲線控制信號用來產(chǎn)生以0V為中心的正弦曲線輸出電壓。電感器電流可為正或負,無論是正是負,都必須讓輸出電壓達到所要求的值。這些工作波形顯示,該轉(zhuǎn)換器可干凈、平滑地穿越地電位工作。使用正弦波控制信號是一種隨意選擇,DC信號、方波信號或其他任何類型的信號都可以使用。

一款四象限直流開關穩(wěn)壓器的設計與實現(xiàn)
圖4 FPGA體偏置應用
 
有很多應用可以利用這種4象限D(zhuǎn)C/DC轉(zhuǎn)換器。在高性能數(shù)字電路中(比如FPGA),體反向偏壓可用于顯著降低靜態(tài)功耗,同時保持或改善動態(tài)性能。PMOS和NMOS器件的體電壓可獨立控制以調(diào)節(jié)器件的門限(VT)。當FPGA要求較低時,可將門限調(diào)節(jié)得較高,從而顯著地降低這些數(shù)字構(gòu)件中的泄漏電流。當FPGA要求較高時,可以降低門限,從而提高速度,并因此提高FPGA性能。圖4顯示了一個這種應用的高級方框圖。請注意,對于NMOS體偏置,電壓通常為0V±300mV,這非常適合于四象限拓撲。

一款四象限直流開關穩(wěn)壓器的設計與實現(xiàn)
圖5 驅(qū)動方向可反轉(zhuǎn)的DC電動機驅(qū)動器
 
可從4象限拓撲受益的另一種應用是DC電動機驅(qū)動器。在很多情況下,DC電動機需要速度調(diào)節(jié)以及反向能力。用于4象限轉(zhuǎn)換器的LT8710能夠同時滿足這兩種要求。圖5顯示了一個這類應用。請注意,DC電動機的負端可以簡單地連接至地,而正端可在正和負10V之間調(diào)節(jié)。與DC電動機驅(qū)動應用類似,4象限拓撲還能用來驅(qū)動熱電冷卻器(TEC)、音頻揚聲器以及其他很多應用。

用于4象限D(zhuǎn)C/DC轉(zhuǎn)換器拓撲的LT8710是一款強大的電路器件,能產(chǎn)生正和負輸出電壓以及正和負輸出電流。與輸出串聯(lián)的電感器(圖2中的L2)降低了輸出電壓紋波。產(chǎn)生接近地的輸出電壓之過程也得到了簡化,因為在這種情況下,占空比接近50%.很多應用可受益于這一電路,包括但不限于FPGA體偏置、DC電動機驅(qū)動、熱電冷卻器以及音頻驅(qū)動器。

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