通過(guò)5V至24V輸入提供雙極性、雙向DC-DC流入和流出電流

簡(jiǎn)介

大部分電子系統都依賴(lài)于正電壓軌或負電壓軌，但是有些應用要求單電壓軌同時(shí)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(shuō)，電源的輸出電壓可以在整個(gè)電壓范圍內調節，并且可以平穩轉換極性。例如，一些汽車(chē)和音頻應用除了需要傳統電壓源外，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(chē)系統中的再生制動(dòng)就是這種應用。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(dòng)條件下），同時(shí)繼續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)現反向電流流動(dòng)（即從輸出到輸入）的解決方案。

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 。

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(gè)4象限轉換器由中間總線(xiàn)轉換器V_INTER（第1級）提供饋電，提供12 V 至24 V范圍的輸出電壓，標稱(chēng)電壓為12 V至16 V，與標準汽車(chē)電池電壓軌的標稱(chēng)電壓范圍匹配。整個(gè)2級轉換器的輸出電壓為±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。

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)耦合電感可以擴展適用的磁電范圍，并且可以使用以前經(jīng)過(guò)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(gè)2級轉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)應用中的掉電情況。啟用轉換器時(shí)，基于控制器U2的升壓轉換器（級1）使中間總線(xiàn)電壓保持在或高于12 V。升壓轉換器的動(dòng)力系統包含電感L3、MOSFET Q1和Q2。2級結構支 持下游的4象限轉換器正常工作，在所有工作條件下向負載提供±10 V電壓。

圖 2.V_IN從 14 V 降低至 5 V 時(shí)的波形。V_IN = 5 V/div ，V_OUT = 5 V/div ，升壓 SW = 10 V/div ，時(shí)標為 200 μs/div 。

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V_IN端施加輸入電壓時(shí)，如果輸入降至12 V以下，升壓轉換器會(huì )將其輸出VINTER調節至12 V。如果 V_IN 超過(guò)標稱(chēng)12 V汽車(chē)電軌的12 V典型值，升壓轉換器會(huì )進(jìn)入 Pass-Thru? 。在這種模式下，頂部MOSFET Q1會(huì )在100%占空比始終導通工作，所以不會(huì )進(jìn)行切換操作；施加于4象限轉換器的電壓 VINTER相對穩定地保持在 VIN。

與典型的2級器件（即升壓轉換器后接降壓/反相）相比，這種方法大幅提升了系統效率。這是因為Pass-Thru模式下（系統大 部分時(shí)間都處于此模式）的效率可以接近100%，實(shí)質(zhì)上將功率系統轉變?yōu)閱渭夀D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），升壓轉換器將切換為將VINTER 至 12 V調節至12 V。采用此方法，即使輸入電壓急劇下降，4象限轉換器也能夠提供±10 V電壓。

控制電壓達到最大值（在本例中，為1.048 V）時(shí)，轉換器輸出為+10 V?？刂齐妷哼_到最小值(100 mV)時(shí)，轉換器輸出為–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正弦信號頻率，峰峰值幅度為0.9048 V。由此得到的轉換器輸出為相應的 60 Hz正弦波，峰峰值幅度為20 V。輸出從–10 V平穩變化為+10 V。

圖 3. 與正弦控制信號呈函數關(guān)系的正弦波輸出波形。 V_CTRL= 0.5 V/div, V_OUT = 5 V/div ，時(shí)標為 5 ms/div 。

在此工作模式下，4象限轉換器調節輸出電壓。輸出電壓由U1通過(guò)其FB引腳上的電阻RFB 來(lái)感測。將該引腳上的電壓與控制電壓相比較，并根據比較結果調節轉換器的占空比（即QN1上的柵極信號），使輸出電壓保持穩定。如果VINTER, CONTROL, 或 VOUT 發(fā)生變化，會(huì )進(jìn)行占空比調制，從而相應地調節輸出。MOSFET QP1與QN1同步開(kāi)關(guān)，以實(shí)現同步整流，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V_IN 端施加輸入電壓時(shí)，如果輸入降至12 V以下，升壓轉換器會(huì )將其輸出V_INTER調節至12 V。如果V_INN 超過(guò)標稱(chēng)12 V汽車(chē)電軌的12 V典型值，升壓轉換器會(huì )進(jìn)入Pass-Thru TM 模式。在這種模式下，頂部MOSFET Q1會(huì )在100%占空比始終導通工作，所以不會(huì )進(jìn)行切換操作；施加于4象限轉換器的電壓VINTER相對穩定地保持在VIN 。

電流反向流動(dòng)時(shí)，4象限轉換器調節從V_OUT 流至V_IN 的輸出電流；在這種模式下，轉換器不調節電壓。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(shí)的輸出電流，并調節其占空比，使壓降保持在設定值（在本解決方案中為50 mV）。

當4象限轉換器在V_INTER 總線(xiàn)上產(chǎn)生的電壓超過(guò)規定的最小值時(shí)，升壓轉換器進(jìn)入Pass-Thru模式，頂部MOSFET Q1始終導通，并盡可能以最低損耗將輸出電流預設值提供給 V_IN（負載）端子。

此工作模式已經(jīng)過(guò)測試和驗證。為此，將圖1中電路的 V_OUT 連接至實(shí)驗室電源（設置為12.5 V），將VIN連接至電子負載，將流經(jīng)轉換器的電流設置為4.5 A。4象限轉換器的熱影像如圖5所示。

圖 5. 4 象限轉換器傳動(dòng)系統在負載（反向電流）模式下的熱影像。 4.5 A 電流從V_OUT 端子流至 12.5 V 電源 (V_OUT) 的V_IN 。

圖6所示為轉換器實(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 升壓轉換器演示電路和 DC2240A 4象限轉換器演示電路。

圖 6. 將兩個(gè)現成的 ADI 演示板焊接在一起組成的測試電路實(shí)物照片。左側為 LTC7804 (DC2846A) 。右側為 LT8714 (DC2240A) 。

組件選擇和傳動(dòng)系統計算

此應用選擇的這兩個(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同步升壓轉換器內置電荷泵，提供高效、無(wú)需切換的Pass-Thru 100%占空比工作模式。

接下來(lái)針對傳動(dòng)系統組件和初步選擇的組件進(jìn)行應力分析。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象限轉換器傳動(dòng)系統計算

表2. 4象限轉換器控制電路計算

表3. 升壓轉換器計算*

這是一個(gè)數值示例，將之前的公式應用于轉換器，在3 A、200 kHz 開(kāi)關(guān)頻率和90%效率下產(chǎn)生±10 V：數值示例

V_INTER = 12 V

D_4Q = 0.647 V

根據LT8714數據手冊中的最大限流值與占空比關(guān)系圖，對于給定 的 D4Q，V_CSP = 57 mV。

R_S1 = 0.63 × V_CSP/I_OUT × (1 – D4Q) = 0.004 Ω

R_S2 = (50 mV/1.5) × I_OUT = 0.01 Ω

選擇L1為10 μH，L2為15 μH

I_L1 = 6.1 A; I_L2 = 4.3 A

V_Q = 58 V 最大V_IN 為24 V時(shí)）

V_CTRN = 0.1 V

V_CTRP = 1.048 V

R_FB = 147 kΩ

Q1、Q2電壓應力為24 V

結論

本文介紹了一種可實(shí)現雙極性、雙向電源的高性能轉換器解決方案。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(zhuān)用控制方案可輕松連接各種類(lèi)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)化設計。例如，利用ADI公司的LT8714可以輕松設計雙極性、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)現接近100%的工作效率。

作者

Victor Khasiev

Victor Khasiev是ADI公司的高級應用工程師，在A(yíng)C/DC和DC/DC轉換的電力電子領(lǐng)域擁有豐富的經(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，涵蓋了升壓、降壓、SEPIC、正-負、負-負、反激式、正激式轉換器和雙向備用電源。他持有高效功率因數校正解決方案和先進(jìn)的柵極驅動(dòng)器相關(guān)專(zhuān)利。Victor樂(lè )于為ADI公司客戶(hù)提供技術(shù)支持解答有關(guān)ADI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。