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【干货】基于常见降压转换器的双极性、单路输出、可调节电源

2019-07-11

简介tgn电子头条

台式电源(PS)往往有偶数个端口(忽略机箱端口):一个正端口和一个负端口。使用台式电源产生正极性输出很容易:将负输出设置为GND,将正输出电压设置为正输出。产生负电源同样容易,只需将上述设置反转。但是,如何生产双极性电源,负载可以同时使用正电压和负电压?相对而言,这也很简单—只需将一个实验室通道的正端口连接到另一个通道的负端口,并称其为GND。另外两个端口(正和负)分别就是正负电源。结果得到一个三端口双极性电源,提供GND、正和负电压电平。由于使用了三个端口,因此在电源下游的正电源和负电源之间必须进行某种切换。tgn电子头条

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如果应用要求同一电源端口为正或负(仅向负载提供两个端口的设置),该怎么办?这不是一个纯学术问题。在汽车和工业环境中,有些应用需要双极性、可调节的双端口电源。例如,从具异国风情的玻璃贴膜到测试测量设备,这些应用会使用双端口双极性电源。tgn电子头条

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如前所述,传统双极性电源使用三个输出端口产生两路输出:正、负和GND。相比之下,单路输出电源应仅配备两个输出端口:一个 GND和另一个可以为正也可以为负的输出端口。在此类应用中,输出电压可以通过单个控制信号在从最小负值到最大正值的全部范围内相对于GND调节。tgn电子头条

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有些控制器专门用于实现双极性电源功能,例如双极性输出同步 控制器 LT8714。然而,对于许多汽车和工业制造商而言,对专用IC 进行测试和认证需要一些时间和金钱上的投入。相比之下,许多制造商已经拥有预认证的降压转换器和控制器,因为无数汽车和工业应用中都会用到这些器件。本文介绍在不能选择专用双极性电源IC时如何利用降压转换器产生双极性电源。tgn电子头条

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电路描述及功能tgn电子头条

图1显示了基于降压转换器的双极性(二象限)可调电源解决方案。输入电压范围为12 V至15 V;输出为±10 V范围内的任何电压, 由控制块调节,支持高达6 A的负载。双路输出降压控制器IC是此设计的核心器件。每个降压–升压拓扑连接的一路输出产生稳定的-12 V电压(即图1中的-12 V负轨,其功率链路包括L2、Q2、Q3和 输出滤波器CO2)。tgn电子头条

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QQ截图20190711140938.jpgtgn电子头条

图1. 两端子、双极性、可调节电源的电气原理图tgn电子头条

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-12 V电压轨用作第二通道的接地,控制器的接地引脚也连接到-12 V 电压轨。总的来说,这是一个降压转换器,其输入电压为-12 V和 VIN之间的差值。输出可调,相对于GND可正可负。请注意,相对于-12 V电压轨,输出始终为正,其功率链路包括L1、Q1、Q4和 CO1。 反馈电阻分压器 RB–RA 设置最大输出电压。该分压器的值由输出电压控制电路调节,此电路可通过向 RA注入电流来将输出调节至最小输出电压(负输出)。应用启动特性由RUN和TRACK/SS引脚的端接电阻设置。tgn电子头条

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两路输出均在强制连续导通模式下工作。在输出控制电路中,0μA 至200μA电流源 ICTRL在实验室测试时连接到负轨,但也可以GND为 基准。低通滤波器 RF1–CF 可降低快速输出瞬变。为了缩减转换器的成本和尺寸,使用相对便宜的极化电容形成输出滤波器。可选 二极管D1和D2用于防止这些电容上产生反向电压,尤其是在启动时。如果仅使用陶瓷电容,则不需要二极管。tgn电子头条

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转换器测试和评估tgn电子头条

本解决方案基于 LTC3892 和评估套件 DC1998A 与 DC2493A进行过测试和评估。该转换器在众多测试中表现良好,包括电压和负载调整、瞬态响应以及输出短路。图2显示了启动至6 A负载、输出为+10 V的情况。控制电流和输出电压之间的函数线性度如图3所示。随着控制电流从0μA增加到200μA,输出电压从+10 V降至-10 V。图4显示了效率曲线。tgn电子头条

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图2. 进入电阻负载的启动波形tgn电子头条

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图3. VOUT 与控制电流 ICTRLL的关系。当 ICTRL 从0 A增加到200μA时,输出电压从+10 V降至-10 V。tgn电子头条

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图4. 正负输出的效率曲线tgn电子头条

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我们开发了该双极性、双端子电源的 LTspice® 模型,以简化该方法的采用,允许设计人员分析和仿真上述电路,引入变化,查看波形,以及研究器件应力。tgn电子头条

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结论tgn电子头条

本文介绍了一种双极性、双端子电源设计。这里讨论的方法基于降压转换器拓扑结构,它是现代电源电子的主力技术,因此能以各种形式提供,从带外部器件的简单控制器到完整模块应有尽有。采用降压拓扑结构可以赋予设计人员灵活性,并且可以选择使用预认证器件,从而节省时间和成本。tgn电子头条

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