突破約束：基于簡(jiǎn)單降壓控制器的精密雙極性電源設計

　　簡(jiǎn)介

　　工業(yè)、汽車(chē)、IT和網(wǎng)絡(luò )公司是電源電子、半導體、器件和系統的主要購買(mǎi)者與消費者。這些公司使用各種可用的DC-DC轉換器拓撲結構，采用不同形式的降壓、升壓和SEPIC結構。理想情況下，這些公司會(huì )針對每個(gè)新項目使用專(zhuān)門(mén)的控制器。然而，采用新芯片需要大量投資，因為必須花費很多時(shí)間和成本來(lái)測試新器件是否符合汽車(chē)標準，以及驗證其在特定應用、條件和設備中的功能。顯然，為了降低開(kāi)發(fā)和設計成本，不同應用應采用已經(jīng)過(guò)批準和驗證的控制器。

　　用于生成電源的最常用拓撲結構是降壓轉換器。但是，這種拓撲結構僅限于從高于輸出的輸入電壓產(chǎn)生正輸出。當輸入電壓低于輸出電壓時(shí)，不能直接利用它來(lái)產(chǎn)生負電壓或提供穩定的輸出。產(chǎn)生輸出的這兩個(gè)方面在汽車(chē)電子中均很重要，因為需要負電壓來(lái)為放大器供電，或者當輸入電壓軌顯著(zhù)降低時(shí)，在冷起動(dòng)的情況下整個(gè)系統必須連續正常工作。本文詳細介紹了在SEPIC、Cuk和升壓轉換器中使用簡(jiǎn)單降壓控制器的方法。

　　從公共輸入軌產(chǎn)生負電壓和正電壓

　　圖1顯示了基于單個(gè)降壓控制器(具有兩路輸出)的雙極性電源設計。

　　為了最大限度地利用該芯片，必須使用一路輸出來(lái)產(chǎn)生正電壓，使用第二路輸出來(lái)產(chǎn)生負電壓。此電路的輸入電壓范圍為6 V至40 V。VOUT1產(chǎn)生10 A、3.3 V的正電壓，VOUT2產(chǎn)生3 A、-12 V的負電壓。兩路輸出均由U1控制。第一路輸出VOUT1是簡(jiǎn)單的降壓轉換器。第二路輸出的結構更復雜一些。VOUT2相對于GND為負，故使用差分放大器U2來(lái)檢測負電壓并將其調整為0.8 V基準電壓。在這種方法中，U1和U2均以系統GND為基準，這大大簡(jiǎn)化了電源的控制和功能。如果需要其他輸出電壓，以下表達式有助于計算RF2和RF3的電阻值。

　　圖1.LTC3892的電氣原理圖，可產(chǎn)生正負電壓。VOUT1為10 A、3.3 V，VOUT2為3 A、-12 V。

　　VOUT2電源系采用Cuk拓撲結構，相關(guān)技術(shù)文獻中對此有廣泛介紹。為了解電源系元件上的電壓，需要使用以下基本公式。

　　VOUT2效率曲線(xiàn)如圖2所示。這種方法的LTspice?仿真模型參見(jiàn)此處。在本例中，LTC3892 轉換器的輸入為10 V至20 V。輸出電壓為10 A、+5 V和5 A、-5 V。

　　圖2.14 V輸入電壓時(shí)負輸出的效率曲線(xiàn)。

　　從波動(dòng)輸入軌產(chǎn)生穩定電壓

　　圖3所示轉換器的電氣原理圖支持兩路輸出：VOUT1為10A、3.3 V，VOUT2為3 A、12 V。輸入電壓范圍為6 V至40 V。VOUT1以類(lèi)似方式創(chuàng )建，如圖1所示。第二路輸出是SEPIC轉換器。與上面的Cuk一樣，該SEPIC轉換器基于非耦合的雙分立電感解決方案。分立扼流圈的使用顯著(zhù)擴大了可用磁性材料的范圍，這對于成本敏感型器件非常重要。

　　圖3.SEPIC結構的LTC3892在降壓應用中的電氣原理圖。

　　圖4和圖5顯示了該轉換器在電壓下降和達到尖峰時(shí)(例如在冷起動(dòng)或電源切斷時(shí))的功能。軌電壓VIN圍繞相對標稱(chēng)值12 V下降或上升。但是，VOUT1和VOUT2均處于穩壓狀態(tài)，為關(guān)鍵負載提供穩定的電源。雙電感SEPIC轉換器可以輕松重新連接成單電感升壓轉換器。

　　圖4.軌電壓從14 V降至7 V，VOUT1和VOUT2均處于穩壓狀態(tài)。

　　圖5.軌電壓從14 V升至24 V，但VOUT1和VOUT2均處于穩壓狀態(tài)。

　　相關(guān)LTspice仿真模型參見(jiàn)此處。它顯示LTC3892轉換器的輸入為10 V至20 V。輸出電壓為10 A、+5 V和5 A、-5 V。

　　結論

　　本文介紹了基于降壓控制器構建雙極性和雙輸出電源的方法。這種方法支持在降壓、升壓、SEPIC和Cuk拓撲中使用相同的控制器。這對于汽車(chē)和工業(yè)電子供應商來(lái)說(shuō)非常重要，因為一旦經(jīng)過(guò)核準，他們便可基于同一控制器設計出提供各種輸出電壓的電源。

　　Victor Khasiev

　　Victor Khasiev [victor.khasiev@analog.com]是ADI公司高級應用工程師。Victor在交流-直流和直流-直流轉換電源電子方面擁有豐富的經(jīng)驗。他擁有兩項專(zhuān)利，并撰寫(xiě)了多篇文章。這些文章涉及ADI半導體器件在汽車(chē)和工業(yè)應用中的使用，包括升壓、降壓、SEPIC、正到負、負到負、反激式、正激式轉換器和雙向備用電源。他的專(zhuān)利與高效功率因數校正解決方案和先進(jìn)柵極驅動(dòng)器有關(guān)。Victor樂(lè )于為ADI公司客戶(hù)提供技術(shù)支持，解答有關(guān)ADI公司產(chǎn)品、電源原理圖設計和驗證、印刷電路板布局、故障排查以及最終系統測試的問(wèn)題。