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一款四象限直流开关稳压器的设计与实现

文章来源:申博人气:发表时间:2019-04-16 05:47

  【导读】在电路中,开关稳压器与电容等元器件一样产生输出电压,正因为这一功能使得开关稳压器被用于给特定的负载提供电压或电流。虽然很多方法都能实现这种电压或电流的提供,但是本文要讲解的四象限直流开关稳压器有其独特的优势。

  很多的传统方法都能实现这种电压和电流的提供,但是条件就是负载的两个端子不能直接进行接地。在很多电子系统中,有必要为特定类型负载提供双极性(正和负)电压或电流。需要双极性电压/电流的负载包括FPGA体偏置应用、热电冷却器、DC电动机以及其他很多类型的应用。

  有很多传统方法可为负载提供双极性电压/电流。H桥式设计经常使用,但是要求负载的两个端子均不能直接接地。负载的两个端子均须在正电源轨和地之间摆动,为了滤除这种斩波波形,通常会给负载串联一个电感器。负载不能直接接地可能使整个系统的机械及电气设计复杂化。H桥式方法还需要4个开关组件和更加复杂的控制方法。有些负载有负端子,这种端子不能施加高偏压(相对于地),例如:FPGA反向偏压应用。

  另一种传统方法是建立两个电源轨,一个正轨和一个负轨。人们使用各种不同的电路在稳压的正或负轨中“进行掉换”,以实现电压可低于地的双极性工作。这导致一种非常复杂的系统,一般而言效率较低,而且当输出电压跨越地电位时,会产生非线性响应。

  本文给出一种新的DC/DC开关架构,该架构能够实现线象限工作,这意味着,输出电压可以为正或负,电流也可以在两个方向上流动。此外,这种新架构产生的输出电压能够从一种极性向另一种极性、穿过地电位平滑转换,而且这种转换模式不产生任何非线性问题。

  图1显示了这种4象限转换器的基本连接和组件。NFET(MN)和PFET(MP)之间在反相以及恒定开关频率工作。电流模式控制(图1中未显示)在需要时用来调制MN的占空比。

  如果我们假定,该电路以固定频率工作,那么MN接通时间的占空比可以计算如下:

  从这个等式中可以清楚地看出,在VIN电压为正时,输出电压VOUT可以为正(最高为VIN)或负(仅受实际DC因素的限制),也可以为0V。实际上,0V输出电平并没什么特殊之处,因为在这个工作点上,该转换器DC的占空比为50%.

  无论输出电压是什么极性,该转换器的输出都可以吸收或提供电流,从而使这个电路成为线象限工作的拓扑。MN和MP上的最高漏极至源极电压均为2VIN–VOUT。例如,如果VIN为+12V,VOUT为-12V,那么两个FET的BVDSS额定值必须都高于36V。

  T8710可用于4象限拓扑。图2显示了一个配置为这种拓扑的完整电路,该电路已经过全面测试。这个电路的输入电压典型值为12V,但是允许范围为11V至13V。输出在+5V至-5V范围内可调,输出电流可达±3A。模拟控制信号VCNTL用来调节输出电压。LT8710是一款80V控制器,因此可用来构成提供更高或更低电压及电流的其他很多版本之4象限转换器。

  该转换器的4象限工作能力如图3所示。其中,正弦曲线V为中心的正弦曲线输出电压。电感器电流可为正或负,无论是正是负,都必须让输出电压达到所要求的值。这些工作波形显示,该转换器可干净、平滑地穿越地电位工作。使用正弦波控制信号是一种随意选择,DC信号、方波信号或其他任何类型的信号都可以使用。

  有很多应用可以利用这种4象限DC/DC转换器。在高性能数字电路中(比如FPGA),体反向偏压可用于显着降低静态功耗,同时保持或改善动态性能。PMOS和NMOS器件的体电压可独立控制以调节器件的门限(VT)。当FPGA要求较低时,可将门限调节得较高,从而显著地降低这些数字构件中的泄漏电流。当FPGA要求较高时,可以降低门限,从而提高速度,并因此提高FPGA性能。图4显示了一个这种应用的高级方框图。请注意,对于NMOS体偏置,电压通常为0V±300mV,这非常适合于四象限拓扑。

  可从4象限拓扑受益的另一种应用是DC电动机驱动器。在很多情况下,DC电动机需要速度调节以及反向能力。用于4象限转换器的LT8710能够同时满足这两种要求。图5显示了一个这类应用。请注意,DC电动机的负端可以简单地连接至地,而正端可在正和负10V之间调节。与DC电动机驱动应用类似,4象限拓扑还能用来驱动热电冷却器(TEC)、音频扬声器以及其他很多应用。

  用于4象限DC/DC转换器拓扑的LT8710是一款强大的电路器件,能产生正和负输出电压以及正和负输出电流。与输出串联的电感器(图2中的L2)降低了输出电压纹波。产生接近地的输出电压之过程也得到了简化,因为在这种情况下,占空比接近50%.很多应用可受益于这一电路,包括但不限于FPGA体偏置、DC电动机驱动、热电冷却器以及音频驱动器。

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