作者：Jhun Rennel Sanchez，產(chǎn)品應(yīng)用工程師和Anthony Serqui?a，高級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)工程師

摘要

本文詳細(xì)介紹一種創(chuàng)建雙輸出電壓軌的方法，該方法能為設(shè)備電源(DPS)提供正負(fù)電壓軌，并且只需要一個(gè)雙向電源。傳統(tǒng)的設(shè)備電源供電方法使用兩個(gè)雙向（拉電流和灌電流能力）電源，一個(gè)為正電壓軌供電，一個(gè)為負(fù)電壓軌供電。這種配置不但笨重，且成本高昂。

簡(jiǎn)介

DPS一般與自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)和其他測(cè)量設(shè)備搭配使用。ATE是一種電腦控制機(jī)械設(shè)備，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的手動(dòng)電子測(cè)試設(shè)備來(lái)評(píng)估功能、質(zhì)量、性能和應(yīng)力測(cè)試。這些ATE需要配套的DPS提供四象限電源運(yùn)行能力。DPS是一種四象限電源，可以提供正電壓或負(fù)電壓，同時(shí)具備拉電流和灌電流能力。要使用DPS為更大電流的應(yīng)用供電，需要將多個(gè)DPS設(shè)備組合在一起，以提高解決方案的電流容量。DPS可以提供拉電流和獲取灌電流，所以DPS的電源必須具備同樣的功能。采用雙輸出電壓軌設(shè)計(jì)旨在將所需的雙向電源的數(shù)量減少至一個(gè)，同時(shí)仍然為DPS提供正負(fù)雙向電源。構(gòu)建雙向正電源非常簡(jiǎn)單，可以使用市面上提供拉電流和灌電流的多種IC實(shí)現(xiàn)。問(wèn)題在于根據(jù)受測(cè)設(shè)備(DUT)的要求，負(fù)電源也需要具有拉電流和灌電流能力。一種解決方案是使用雙向降壓IC，該IC可以配置用作反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。例如LTC3871，這是一個(gè)雙向降壓或升壓控制器，可用于正電壓軌和負(fù)電壓軌。

使用降壓IC設(shè)計(jì)反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

圖1顯示了降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化原理示意圖。該轉(zhuǎn)換器獲取正電壓輸入，然后輸出幅度更低的正電壓。圖2顯示了一個(gè)反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，它獲取正電壓輸出，然后輸出幅度更小或更大的負(fù)電壓。如圖3所示，可以按照以下步驟，將降壓拓?fù)滢D(zhuǎn)換為反相降壓-升壓拓?fù)洌?

· 將降壓轉(zhuǎn)換器的正電壓輸出轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)地

· 將降壓轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)地轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓輸出節(jié)點(diǎn)

· 在降壓轉(zhuǎn)換器的VIN和正電壓輸出之間施加輸入電壓

圖4顯示了將降壓IC轉(zhuǎn)換為反相降壓-升壓配置的簡(jiǎn)化原理圖。

圖1.降壓轉(zhuǎn)換器。

圖2.反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

圖3.將降壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為反相降壓-升壓配置。

圖4.反相降壓-升壓拓?fù)渲惺褂玫慕祲篒C。

轉(zhuǎn)換降壓IC的工作原理

拉電流

圖5顯示反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的波形，以及提供拉電流時(shí)的電流路徑。圖5a顯示控制MOSFET導(dǎo)通時(shí)轉(zhuǎn)換器中的電流流動(dòng)。圖5c顯示控制MOSFET中的電流流動(dòng)，其平均值為輸入電流。在這段時(shí)間內(nèi)，電感開(kāi)始儲(chǔ)存電能，使電流升高，輸出電容為負(fù)載供電。在此期間，電感電壓等于輸入電壓。

當(dāng)control MOSFET關(guān)斷后，sync MOSFET導(dǎo)通，圖5b顯示sync MOSFET中的電流流動(dòng)。輸出電流是sync MOSFET的平均電流，電感電壓等于輸出電壓。當(dāng)電感開(kāi)始為負(fù)載和電容器供電時(shí)，其電流開(kāi)始下降。每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都如此重復(fù)。

轉(zhuǎn)換器反饋控制脈寬調(diào)制(PWM)，將輸出電壓調(diào)節(jié)至分壓電阻設(shè)置的所需電平。公式1顯示了輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系。

其中

· VOUT =輸出電壓

· VIN =輸入電壓

· D =占空比

· η = 系統(tǒng)效率

占空比大于50%時(shí)，輸出電壓大于輸入電壓，占空比小于50%時(shí)，輸出電壓小于輸入電壓。

灌電流

轉(zhuǎn)換器開(kāi)始獲取灌電流時(shí)，電流從輸出流向輸入，如圖6a和6b所示。圖6c和6d分別顯示了電流流經(jīng)控制MOSFET和sync MOSFET的過(guò)程。由于轉(zhuǎn)換器正在獲取灌電流，所以負(fù)電流會(huì)流經(jīng)MOSFET。測(cè)試結(jié)果部分顯示了獲取灌電流期間的負(fù)電感電流。

測(cè)試結(jié)果

圖7顯示用于測(cè)試設(shè)計(jì)的拉灌電流和灌拉電流能力的實(shí)際設(shè)置。圖8顯示了該設(shè)置的框圖。雙向直流電源用作VPOS的電源，處于CV模式。另一個(gè)直流電源連接至VNEG的輸出。此直流電源控制流入系統(tǒng)的電流量。阻塞二極管與該直流電源串聯(lián)，確保轉(zhuǎn)換器提供拉電流時(shí)不會(huì)有電流流入轉(zhuǎn)換器。電子負(fù)載用作初始負(fù)載，以表明系統(tǒng)能夠從提供拉電流轉(zhuǎn)換為獲取灌電流，反之亦然。

圖5.(a)導(dǎo)通期間的電流流動(dòng)，(b)關(guān)斷期間的電流流動(dòng)，(c)流經(jīng)頂部/控制MOSFET的電流，(d)流經(jīng)底部/sync MOSFET的電流，(e)電感電壓。

圖6.(a)導(dǎo)通期間的電流流動(dòng)，(b)關(guān)斷期間的電流流動(dòng)，(c)流經(jīng)頂部/控制MOSFET的電流，(d)流經(jīng)底部/sync MOSFET的電流。

圖7.用于進(jìn)行拉灌電流測(cè)試的電路板設(shè)置。

圖8.該測(cè)試板電路設(shè)置的框圖。

捕捉到的波形如圖9所示。直流電源開(kāi)啟后，VNEG電壓軌開(kāi)始獲取灌電流。從電感電流波形可以看出，它從正電流轉(zhuǎn)為負(fù)電流。在VNEG獲取灌電流時(shí)，系統(tǒng)在此條件下保持開(kāi)環(huán)，拉灌電流由外部直流電源的CC模式控制。圖10所示的VPOS也是如此。連接至其輸出的直流電電源開(kāi)啟后，VPOS電壓軌開(kāi)始獲取灌電流。

圖9.VNEG拉電流向灌電流轉(zhuǎn)變（+1 A至–20 A）。

圖10.VPOS拉電流向灌電流轉(zhuǎn)變（+1 A至–20 A）。

捕捉到的波形如圖11所示，展示了系統(tǒng)從拉電流向灌電流轉(zhuǎn)變的行為。從電感電流可以看出，它從負(fù)電流轉(zhuǎn)為正電流。這表明停止向VNEG施加DC電壓之后，電流重新轉(zhuǎn)變?yōu)槔娏鳌D12所示的VPOS電源軌也是如此。

圖11.VNEG灌電流向拉電流轉(zhuǎn)變（-20 A至+1 A）。

圖12.VPOS灌電流向拉電流轉(zhuǎn)變（-20 A至+1 A）。

結(jié)論

雙輸出電壓軌能夠進(jìn)行VPOS和VNEG雙向供電，所以減少了所需的設(shè)備數(shù)量。因?yàn)楣嗳胍粋€(gè)電源軌的電流可用于為另一個(gè)電源軌供電，使得主電源拉取的電流減少，所以其效率更高。該設(shè)計(jì)還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即在設(shè)計(jì)雙向反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，可供選擇的IC會(huì)更多。

參考資料

Matthew Kessler。“AN-1083（版本A）：利用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器ADP2300和ADP2301設(shè)計(jì)反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。”（ADI公司，2010年）

Ricky Yang。“AN-1168（版本0）：采用ADP2384/ADP2386同步降壓DC-DC穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)反相電源。”（ADI公司，2012年）

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。