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双极/双向直流对直流电源供应器以及从5至24V输入电压汲取电流
[作者 Victor Khasiev]   2020年09月14日 星期一 浏览人次: [2869]

大多数电子系统依赖电源电压轨供应正电压或负电压,但少数应用会需要个别供电轨能同时提供正负两种电压。在这些情况中,正电或负电是由同一个终端供应 - 电源供应器的输出电压可调至整个电压范围,并流畅地切换极性。


举例来说,有些汽车与音响应用除了传统电压源之外,还会要求电源供应器从输出端子供应负载以及流入电流。汽车系统中的反??式再生煞车就是一个例子。单端式双极电源供应器的规格已广为周知,但有些解决方案在输入电压降时仍能工作,像是冷启动,不过无法持续提供双向功能。本文将介绍一款解决方案,能排除输入电压变化的影响,并产生供电以及逆转电流方向,亦即从输出转向输入。


双极/双向电源供应器电路

图1 显示一个二阶式电源供应器,主要元件为一个四象限控制器(stage 2) U1。负责??入这个四象限转换器的元件是一个中介汇流排转换器VINTER (stage 1),供应的输出电压最低/最大值范围为12V至24V,额定值为12V至16V,匹配标准车用电池供电轨的额定电压范围。整个二阶式转换器的输出,能为负载提供3安培/ +/-10 V的输出。控制器U1透过CTRL针脚输出的电压源CONTROL讯号来控制输出电压。


低通滤波器 CF与RF 能抒解控制电压的快速变化。输电电路包含两个MOSFET; N通道QN1与P通道QP1; 两个分立电感L1与L2; 以及输出滤波器。选用两个分立电感而不是单一耦合电感,目的是希??扩大合适磁铁的范围,延用先前核可与测试过的扼流线圈。输出滤波器的元件只有陶瓷电容,主要是因输出电压具有双极性的缘故。


二阶式转换器的输入电压范围为5至24V,涵盖包括车载电子的冷启动电压降以及工业应用的暂时低压之工作需求。升压式转换器(stage 1)以控制器U2为基础,每当转换器启动时,在12V或12V以上的电压下能维持中介汇流排的电压。升压转换器的输电线路内含电感L3以及MOSFET Q1 和Q2。这种二阶式元件配置让下游四象限转换器能在所有运行条件下为负载提供±10 V的电压。


双极模式供应流出电流时如何运作

图2的示波图是图1电路在工作时的状态。当输入电压贯入VIN时,若输入电源低於这个水平,升压转换器会把VINTER调节至12V。若VIN超过12V车用电源轨的额定12V,则升压转换器就会进入直通(Pass-Thru)模式或线路模式(wire mode),在这种模式下,顶端MOSFET Q1提升至100%工作周期,永远保持工作状态,因此不会出现切换 - 电压VINTER贯入四象限转换器後仍维持相对稳定,电压值和VIN相同。



图1 : 双极/双向/两端点(2-terminal)电源供应器的电路图 : VIN = 5 V 至24 V, VOUT = 3安培电流下+/-10 V
图1 : 双极/双向/两端点(2-terminal)电源供应器的电路图 : VIN = 5 V 至24 V, VOUT = 3安培电流下+/-10 V

图2 : 波形显示 VIN 从14V降至5V。 VIN = 5 V/div, VOUT = 5 V/div,升压转换器 = 10 V/div,时间尺度为 200 μs/div.
图2 : 波形显示 VIN 从14V降至5V。 VIN = 5 V/div, VOUT = 5 V/div,升压转换器 = 10 V/div,时间尺度为 200 μs/div.

这种方法能大幅提升典型二阶式元件的系统效率(前面是一个升压转换器,後面接着降压/升降压元件)。这是因为直通模式的效率,系统大多数时间,可能极接近100%,主要都是用来把电源系统调成单阶转换器。如果输入电压皆低於12V - 例如在冷车启动时 - 则升压转换器就会把VINTER 转换成12V。这种方式让四象限转换器即使在面对输入电压急骤下降的状况仍能供应±10 V的电压。


当控制电压为最大值 - 在这个例子中为1.048V - 转换器输出10V电压。如果控制电压为最小值(100 mV),转换器输出为 -10V。控制电压对输出电压的关系如图3所示,控制电压为一个频率60 Hz的正弦波讯号,峰对峰振幅为0.9048V。产生的转换器输出为一个对应的60Hz正弦波,峰对峰振幅为20V。输出电压从-10V顺畅转换至10V。



图3 : 正弦波输出波形和正弦波控制讯号成函数关系。VCTRL= 0.5 V/div, VOUT = 5 V/div,时间尺度为 5 ms/div。
图3 : 正弦波输出波形和正弦波控制讯号成函数关系。VCTRL= 0.5 V/div, VOUT = 5 V/div,时间尺度为 5 ms/div。

在这个工作模式中,四象限转换器会调节输出电压。U1会透过FB针脚的暂存器RFB感测到输出电压。接着把针脚电压和控制电压做比对,根据比较结果,转换器的工作周期 - QN1上的闸极讯号-则会进行调整,藉以将输出电压维持在调节范围。


倘若VINTER、CONTROL、或是VOUT 产生变化,系统则会调整工作周期以调节输出电压。MOSFET QP1的切换会和QN1同步,藉以达到同步调节的作业,进一步增进效率,流程如图4所示。



图4 : 效率与负载电流
图4 : 效率与负载电流

当双极电源成为负载时如何运作: 其会汲入电流

这个二阶式调节元件能作为电流流出或电流流入端。在电流流入模式中,电流与供电的流动方向和输出VOUT往输入VIN的方向相反。这对车载电子以及某些音响系统相当重要。我们以详细注解(verbiage)方式逐步说明这种模式,VOUT 现在成为输入端,而VIN则变成输出端。此外,本文讨论的范围仅限於VINTER汇流排电压等於或大於12V的应用。


在逆电流模式中,四象限转换器会调节从VOUT 流向VIN的输出电流; 在这种模式中转换器并不会调节电压。当图1中的感测电阻RS2出现电压降,四象限控制器会感测到输出电流,并调节工作周期,藉以将电压降维持在这个解决方案的设定值50mV。


当四象限转换器在VINTER汇流排上产生的电压超过规范的最低值,升压转换器就会输入直通(Pass-Thru)模式,顶端MOSFET Q1维持常时启动,并为输出至VIN (负载)端子提供预设值电流,达到最小的损耗。


这种工作模式通过了实验室的验证与测试。图1所示的VOUT电路连到实验室电源供应器,电压设为12.5V,VIN连到一个电子负载,通过转换器的电流则设为4.5安培。图5显示四象限转换器的热温影像。



图5 : 负载中四象限转换器输电线路(逆向电流)模式的热温影像。4.5安培的电流从 VOUT 端子流向 VIN ,透过VOUT输出一个12.5V的电压。
图5 : 负载中四象限转换器输电线路(逆向电流)模式的热温影像。4.5安培的电流从 VOUT 端子流向 VIN ,透过VOUT输出一个12.5V的电压。

图6的照片是转换器本身,包含两块焊在一起的ADI展示电路板:亦即市售的DC2846A 升压转换器展示电路板,以及 DC2240A 四象限转换器展示板



图6 : 将两个ADI市售展示板卡焊在一块,组成测试电路的照片。左边是LTC7804 (DC2846A),右边则是 LT8714 (DC2240A).
图6 : 将两个ADI市售展示板卡焊在一块,组成测试电路的照片。左边是LTC7804 (DC2846A),右边则是 LT8714 (DC2240A).

元件挑选与输电线路计算

针对这个应用挑选的控制器,主要考量它们在执行特殊功能方面的高效能、效率、以及易用性。Power by Linear LT8714 是一款容易使用的四象限控制器,具备高效率同步整流功能。LTC7804 同步升压转换器则内含一个内部电荷泵浦,提供高效率、无切换、直通式、100%工作模式的工作能力。


接下来的工作就是运用公式分析输电线路元件的应力,以及初步挑选元件。为更深入了解功能的细节,请叁阅这些元件的LTspice模型。



图7 : 四象限转换器输电线路计算
图7 : 四象限转换器输电线路计算

输电线路计算


设定最低VINTER 值


四象限元件工作周期


平均L1 电流? = 效率


L1的尖峰电流


L1的尖峰电流


QN1 与QP1 的电压应力



图8 : 四象限转换器协助电路计算
图8 : 四象限转换器协助电路计算

控制电路计算


最低负电压VOUT 的控制电压


设定回??电阻RFB;


选择RFB的最近标准值


最高正电压VOUT的控制电压



图9 : 升压转换器计算*
图9 : 升压转换器计算*

当VIN < VINTER时的升压工作周期


*Q1、Q2 电压应力的定义是VINTER 或VIN的最大值


数值范例

以下是一个数值范例,采用先前套用到转换器的公式,在3安培下产生+/-10 V电压,采用200 kHz切换频率,效率90%:


VINTER = 12 V


D4Q = 0.647 V


根据最大电流限制 vs. LT8714资料表的工作周期图


VCSP = 57 mV,对於指定D4Q.


RS1 = 0.63 × VCSP/IOUT × (1 - D4Q) = 0.004 ?


RS2 = (50 mV/1.5) × IOUT = 0.01 ?


L1 选用10 μH 而L2 选用15 μH


IL1 = 6.1 安培; IL2 = 4.3 安培


VQ = 58 V (最大VIN为24 V)


VCTRN = 0.1 V


VCTRP = 1.048 V


RFB = 147 k?


Q1、Q2 的电压应力为24 V


总结

本文介绍的转换器为一款高效能解决方案,支援双极/双向式电源供应器。几项功能特色为整体解决方案??注优异效能:同步整流带来高效率,简单的专属控制机制构成一个简单介面,支援任何种类的主控端处理器以及外部控制电路。


这款特殊解决方案克服了不稳定输入电压的问题,包括极短的瞬态,而且能在任何工作条件下确保稳定输出。针对此解决方案挑选适合元件,能发挥最高效率以及简化设计流程。例如选用LT8714,即可简单设计出双极/双向式电源供应器。而LTC7804则能为汽车与工业系统提供效率接近100%的电源。


(本文作者Victor Khasiev为ADI 资深应用工程师 )


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