作者：ADI 高級應(yīng)用工程師 Victor Khasiev
簡介
大部分電子系統(tǒng)都依賴于正電壓軌或負電壓軌，但是有些應(yīng)用要求單電壓軌同時為正負電壓軌。在這種情況下，正電源或負電源由同一端子提供，也就是說，電源的輸出電壓可以在整個電壓范圍內(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，還需要能夠用作負載以及從輸出端子吸取電流的電源。汽車系統(tǒng)中的再生制動就是這種應(yīng)用。關(guān)于單端子雙極性電源已有相關(guān)文獻介紹，但是對于能夠在輸入有電壓降期間工作（例如冷啟動條件下），同時繼續(xù)提供雙向功能的解決方案沒有看到相關(guān)資料。本文介紹一種不受輸入電壓變化影響，同時產(chǎn)生功率并實現(xiàn)反向電流流動（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）U1為中心的2級電源。這個4象限轉(zhuǎn)換器由中間總線轉(zhuǎn)換器VINTER（第1級）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)汽車電池電壓軌的標(biāo)稱電壓范圍匹配。整個2級轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為±10 V， 提供3 A負載電流。輸出電壓由控制器U1的CTRL引腳上的電壓源CONTROL信號控制。
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 VOUT = ±10 V 。
通過低通濾波器CF, RF緩解控制電壓的急劇變化。傳動系統(tǒng)包含兩個MOSFET，分別是N溝道QN1和P溝道QP1；兩個分立電感L1和L2以及一個輸出濾波器。用兩個分立電感替代單個耦合電感可以擴展適用的磁電范圍，并且可以使用以前經(jīng)過認證和測試的扼流圈。因為輸出具有雙極性特性，所以輸出濾波器僅采用陶瓷電容組成。
整個2級轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為5 V至24 V，涵蓋汽車電子的冷啟動壓降和工業(yè)應(yīng)用中的掉電情況。啟用轉(zhuǎn)換器時，基于控制器U2的升壓轉(zhuǎn)換器（級1）使中間總線電壓保持在或高于12 V。升壓轉(zhuǎn)換器的動力系統(tǒng)包含電感L3、MOSFET Q1和Q2。2級結(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，如果輸入降至12 V以下，升壓轉(zhuǎn)換器會將其輸出VINTER調(diào)節(jié)至12 V。如果 VIN 超過標(biāo)稱12 V汽車電軌的12 V典型值，升壓轉(zhuǎn)換器會進入 Pass-Thru™ 。在這種模式下，頂部MOSFET Q1會在100%占空比始終導(dǎo)通工作，所以不會進行切換操作；施加于4象限轉(zhuǎn)換器的電壓 VINTER相對穩(wěn)定地保持在 VIN。
圖 2.VIN從 14 V 降低至 5 V 時的波形。VIN = 5 V/div ，VOUT = 5 V/div ，升壓 SW = 10 V/div ，時標(biāo)為 200 µs/div 。
與典型的2級器件（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。這是因為Pass-Thru模式下（系統(tǒng)大 部分時間都處于此模式）的效率可以接近100%，實質(zhì)上將功率系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱渭夀D(zhuǎn)換器。如果輸入電壓降低至12 V電平以下（例 如，在冷啟動期間），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。
控制電壓達到最大值（在本例中，為1.048 V）時，轉(zhuǎn)換器輸出為+10 V。控制電壓達到最小值(100 mV)時，轉(zhuǎn)換器輸出為–10 V。控制電 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通過其FB引腳上的電阻RFB 來感測。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），使輸出電壓保持穩(wěn)定。如果VINTER, CONTROL, 或 VOUT 發(fā)生變化，會進行占空比調(diào)制，從而相應(yīng)地調(diào)節(jié)輸出。MOSFET QP1與QN1同步開關(guān)，以實現(xiàn)同步整流，進一步充分提高效率，如圖4所示。
圖 4. 效率與負載電流的關(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，如果輸入降至12 V以下，升壓轉(zhuǎn)換器會將其輸出VINTER調(diào)節(jié)至12 V。如果VINN 超過標(biāo)稱12 V汽車電軌的12 V典型值，升壓轉(zhuǎn)換器會進入Pass-Thru TM 模式。在這種模式下，頂部MOSFET Q1會在100%占空比始終導(dǎo)通工作，所以不會進行切換操作；施加于4象限轉(zhuǎn)換器的電壓VINTER相對穩(wěn)定地保持在VIN 。
電流反向流動時，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象限控制器感測檢測電阻（圖1中為RS2）兩端產(chǎn)生壓降時的輸出電流，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)生的電壓超過規(guī)定的最小值時，升壓轉(zhuǎn)換器進入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（負載）端子。
此工作模式已經(jīng)過測試和驗證。為此，將圖1中電路的 VOUT 連接至實驗室電源（設(shè)置為12.5 V），將VIN連接至電子負載，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)換器傳動系統(tǒng)在負載（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)換器實物照片，它由兩個焊接在一起的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. 將兩個現(xiàn)成的 ADI 演示板焊接在一起組成的測試電路實物照片。左側(cè)為 LTC7804 (DC2846A) 。右側(cè)為 LT8714 (DC2240A) 。
組件選擇和傳動系統(tǒng)計算
此應(yīng)用選擇的這兩個控制器都具備高性能、高效率，并且簡單易用。 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、無需切換的Pass-Thru 100%占空比工作模式。
接下來針對傳動系統(tǒng)組件和初步選擇的組件進行應(yīng)力分析。為了更深入地了解功能詳情，請參考這些器件的 LTspice®模型。
表1. 4象限轉(zhuǎn)換器傳動系統(tǒng)計算
表2. 4象限轉(zhuǎn)換器控制電路計算
表3. 升壓轉(zhuǎn)換器計算*
這是一個數(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)手冊中的最大限流值與占空比關(guān)系圖，對于給定 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）
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，簡單易行的專用控制方案可輕松連接各種類型的主機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，簡化設(shè)計。例如，利用ADI公司的LT8714可以輕松設(shè)計雙極性、雙向電源。在汽車和工業(yè)環(huán)境中，LTC7804可作為中間電源，實現(xiàn)接近100%的工作效率。 |
