作者：ADI 高級(jí)應(yīng)用工程師 Victor Khasiev
簡(jiǎn)介
大部分電子系統(tǒng)都依賴于正電壓軌或負(fù)電壓軌，但是有些應(yīng)用要求單電壓軌同時(shí)為正負(fù)電壓軌。在這種情況下，正電源或負(fù)電源由同一端子提供，也就是說(shuō)，電源的輸出電壓可以在整個(gè)電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并且可以平穩(wěn)轉(zhuǎn)換極性。例如，一些汽車(chē)和音頻應(yīng)用除了需要傳統(tǒng)電壓源外，還需要能夠用作負(fù)載以及從輸出端子吸取電流的電源。汽車(chē)系統(tǒng)中的再生制動(dòng)就是這種應(yīng)用。關(guān)于單端子雙極性電源已有相關(guān)文獻(xiàn)介紹，但是對(duì)于能夠在輸入有電壓降期間工作（例如冷啟動(dòng)條件下），同時(shí)繼續(xù)提供雙向功能的解決方案沒(méi)有看到相關(guān)資料。本文介紹一種不受輸入電壓變化影響，同時(shí)產(chǎn)生功率并實(shí)現(xiàn)反向電流流動(dòng)（即從輸出到輸入）的解決方案。
雙極性雙向電源電路
圖1所示為以4象限控制器（第2級(jí)）U1為中心的2級(jí)電源。這個(gè)4象限轉(zhuǎn)換器由中間總線轉(zhuǎn)換器VINTER（第1級(jí)）提供饋電，提供12 V 至24 V范圍的輸出電壓，標(biāo)稱電壓為12 V至16 V，與標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)電池電壓軌的標(biāo)稱電壓范圍匹配。整個(gè)2級(jí)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為±10 V， 提供3 A負(fù)載電流。輸出電壓由控制器U1的CTRL引腳上的電壓源CONTROL信號(hào)控制。
圖 1. 雙極性、雙向、雙端子電源的電氣原理圖： VIN = 5 V至 24 V, 3 A 時(shí) VOUT = ±10 V 。
通過(guò)低通濾波器CF, RF緩解控制電壓的急劇變化。傳動(dòng)系統(tǒng)包含兩個(gè)MOSFET，分別是N溝道QN1和P溝道QP1；兩個(gè)分立電感L1和L2以及一個(gè)輸出濾波器。用兩個(gè)分立電感替代單個(gè)耦合電感可以擴(kuò)展適用的磁電范圍，并且可以使用以前經(jīng)過(guò)認(rèn)證和測(cè)試的扼流圈。因?yàn)檩敵鼍哂须p極性特性，所以輸出濾波器僅采用陶瓷電容組成。
整個(gè)2級(jí)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為5 V至24 V，涵蓋汽車(chē)電子的冷啟動(dòng)壓降和工業(yè)應(yīng)用中的掉電情況。啟用轉(zhuǎn)換器時(shí)，基于控制器U2的升壓轉(zhuǎn)換器（級(jí)1）使中間總線電壓保持在或高于12 V。升壓轉(zhuǎn)換器的動(dòng)力系統(tǒng)包含電感L3、MOSFET Q1和Q2。2級(jí)結(jié)構(gòu)支 持下游的4象限轉(zhuǎn)換器正常工作，在所有工作條件下向負(fù)載提供±10 V電壓。
雙極性電源提供電流的工作原理
圖2的波形顯示了圖1電路的工作狀態(tài)。在VIN端施加輸入電壓時(shí)，如果輸入降至12 V以下，升壓轉(zhuǎn)換器會(huì)將其輸出VINTER調(diào)節(jié)至12 V。如果 VIN 超過(guò)標(biāo)稱12 V汽車(chē)電軌的12 V典型值，升壓轉(zhuǎn)換器會(huì)進(jìn)入 Pass-Thru™ 。在這種模式下，頂部MOSFET Q1會(huì)在100%占空比始終導(dǎo)通工作，所以不會(huì)進(jìn)行切換操作；施加于4象限轉(zhuǎn)換器的電壓 VINTER相對(duì)穩(wěn)定地保持在 VIN。
圖 2.VIN從 14 V 降低至 5 V 時(shí)的波形。VIN = 5 V/div ，VOUT = 5 V/div ，升壓 SW = 10 V/div ，時(shí)標(biāo)為 200 µs/div 。
與典型的2級(jí)器件（即升壓轉(zhuǎn)換器后接降壓/反相）相比，這種方法大幅提升了系統(tǒng)效率。這是因?yàn)镻ass-Thru模式下（系統(tǒng)大 部分時(shí)間都處于此模式）的效率可以接近100%，實(shí)質(zhì)上將功率系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱渭?jí)轉(zhuǎn)換器。如果輸入電壓降低至12 V電平以下（例 如，在冷啟動(dòng)期間），升壓轉(zhuǎn)換器將切換為將VINTER 至 12 V調(diào)節(jié)至12 V。采用此方法，即使輸入電壓急劇下降，4象限轉(zhuǎn)換器也能夠提供±10 V電壓。
控制電壓達(dá)到最大值（在本例中，為1.048 V）時(shí)，轉(zhuǎn)換器輸出為+10 V�？刂齐妷哼_(dá)到最小值(100 mV)時(shí)，轉(zhuǎn)換器輸出為–10 V�？刂齐� 壓與輸出電壓之間的關(guān)系如圖3所示，其中控制電壓為60 Hz正弦信號(hào)頻率，峰峰值幅度為0.9048 V。由此得到的轉(zhuǎn)換器輸出為相應(yīng)的 60 Hz正弦波，峰峰值幅度為20 V。輸出從–10 V平穩(wěn)變化為+10 V。
圖 3. 與正弦控制信號(hào)呈函數(shù)關(guān)系的正弦波輸出波形。 VCTRL= 0.5 V/div, VOUT = 5 V/div ，時(shí)標(biāo)為 5 ms/div 。
在此工作模式下，4象限轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)輸出電壓。輸出電壓由U1通過(guò)其FB引腳上的電阻RFB 來(lái)感測(cè)。將該引腳上的電壓與控制電壓相比較，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的占空比（即QN1上的柵極信號(hào)），使輸出電壓保持穩(wěn)定。如果VINTER, CONTROL, 或 VOUT 發(fā)生變化，會(huì)進(jìn)行占空比調(diào)制，從而相應(yīng)地調(diào)節(jié)輸出。MOSFET QP1與QN1同步開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)同步整流，進(jìn)一步充分提高效率，如圖4所示。
圖 4. 效率與負(fù)載電流的關(guān)系。
雙極性電源提供電流的工作原理
圖2的波形顯示了圖1電路的工作狀態(tài)。在VIN 端施加輸入電壓時(shí)，如果輸入降至12 V以下，升壓轉(zhuǎn)換器會(huì)將其輸出VINTER調(diào)節(jié)至12 V。如果VINN 超過(guò)標(biāo)稱12 V汽車(chē)電軌的12 V典型值，升壓轉(zhuǎn)換器會(huì)進(jìn)入Pass-Thru TM 模式。在這種模式下，頂部MOSFET Q1會(huì)在100%占空比始終導(dǎo)通工作，所以不會(huì)進(jìn)行切換操作；施加于4象限轉(zhuǎn)換器的電壓VINTER相對(duì)穩(wěn)定地保持在VIN 。
電流反向流動(dòng)時(shí)，4象限轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)從VOUT 流至VIN 的輸出電流；在這種模式下，轉(zhuǎn)換器不調(diào)節(jié)電壓。4象限控制器感測(cè)檢測(cè)電阻（圖1中為RS2）兩端產(chǎn)生壓降時(shí)的輸出電流，并調(diào)節(jié)其占空比，使壓降保持在設(shè)定值（在本解決方案中為50 mV）。
當(dāng)4象限轉(zhuǎn)換器在VINTER 總線上產(chǎn)生的電壓超過(guò)規(guī)定的最小值時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)入Pass-Thru模式，頂部MOSFET Q1始終導(dǎo)通，并盡可能以最低損耗將輸出電流預(yù)設(shè)值提供給 VIN（負(fù)載）端子。
此工作模式已經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證。為此，將圖1中電路的 VOUT 連接至實(shí)驗(yàn)室電源（設(shè)置為12.5 V），將VIN連接至電子負(fù)載，將流經(jīng)轉(zhuǎn)換器的電流設(shè)置為4.5 A。4象限轉(zhuǎn)換器的熱影像如圖5所示。
圖 5. 4 象限轉(zhuǎn)換器傳動(dòng)系統(tǒng)在負(fù)載（反向電流）模式下的熱影像。 4.5 A 電流從VOUT 端子流至 12.5 V 電源 (VOUT) 的VIN 。
圖6所示為轉(zhuǎn)換器實(shí)物照片，它由兩個(gè)焊接在一起的ADI演示電路組成：分別是DC2846A 升壓轉(zhuǎn)換器演示電路和DC2240A 4象限轉(zhuǎn)換器演示電路。
圖 6. 將兩個(gè)現(xiàn)成的 ADI 演示板焊接在一起組成的測(cè)試電路實(shí)物照片。左側(cè)為 LTC7804 (DC2846A) 。右側(cè)為 LT8714 (DC2240A) 。
組件選擇和傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算
此應(yīng)用選擇的這兩個(gè)控制器都具備高性能、高效率，并且簡(jiǎn)單易用。 Linear™是一款易于使用的4象限控制器，支持高效同步整流。LTC7804同步升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)置電荷泵，提供高效、無(wú)需切換的Pass-Thru 100%占空比工作模式。
接下來(lái)針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)組件和初步選擇的組件進(jìn)行應(yīng)力分析。為了更深入地了解功能詳情，請(qǐng)參考這些器件的 LTspice®模型。
表1. 4象限轉(zhuǎn)換器傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算
表2. 4象限轉(zhuǎn)換器控制電路計(jì)算
表3. 升壓轉(zhuǎn)換器計(jì)算*
這是一個(gè)數(shù)值示例，將之前的公式應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器，在3 A、200 kHz 開(kāi)關(guān)頻率和90%效率下產(chǎn)生±10 V：數(shù)值示例
VINTER = 12 V
D4Q = 0.647 V
根據(jù)LT8714數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大限流值與占空比關(guān)系圖，對(duì)于給定 的 D4Q，VCSP = 57 mV。
RS1 = 0.63 × VCSP/IOUT × (1 – D4Q) = 0.004 Ω
RS2 = (50 mV/1.5) × IOUT = 0.01 Ω
選擇L1為10 µH，L2為15 µH
IL1 = 6.1 A; IL2 = 4.3 A
VQ = 58 V 最大V IN 為24 V時(shí)）
VCTRN = 0.1 V
VCTRP = 1.048 V
RFB = 147 kΩ
Q1、Q2電壓應(yīng)力為24 V
結(jié)論
本文介紹了一種可實(shí)現(xiàn)雙極性、雙向電源的高性能轉(zhuǎn)換器解決方案。具有以下有助于提高解決方案整體性能的特性：同步 整流可產(chǎn)生高效率，簡(jiǎn)單易行的專用控制方案可輕松連接各種類型的主機(jī)處理器和外部控制電路。這種解決方案解決了輸入 電壓不穩(wěn)的問(wèn)題（包括快速瞬變），確保在所有工作條件下都能提供穩(wěn)定的輸出電壓。本解決方案選擇的器件可充分提高效 率，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。例如，利用ADI公司的LT8714可以輕松設(shè)計(jì)雙極性、雙向電源。在汽車(chē)和工業(yè)環(huán)境中，LTC7804可作為中間電源，實(shí)現(xiàn)接近100%的工作效率。 |
