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雙極/雙向直流對直流電源供應器以及從5至24V輸入電壓汲取電流
[作者 Victor Khasiev]   2020年09月14日 星期一 瀏覽人次: [2554]

大多數電子系統依賴電源電壓軌供應正電壓或負電壓,但少數應用會需要個別供電軌能同時提供正負兩種電壓。在這些情況中,正電或負電是由同一個終端供應 – 電源供應器的輸出電壓可調至整個電壓範圍,並流暢地切換極性。


舉例來說,有些汽車與音響應用除了傳統電壓源之外,還會要求電源供應器從輸出端子供應負載以及流入電流。汽車系統中的反饋式再生煞車就是一個例子。單端式雙極電源供應器的規格已廣為週知,但有些解決方案在輸入電壓降時仍能工作,像是冷啟動,不過無法持續提供雙向功能。本文將介紹一款解決方案,能排除輸入電壓變化的影響,並產生供電以及逆轉電流方向,亦即從輸出轉向輸入。


雙極/雙向電源供應器電路

圖1 顯示一個二階式電源供應器,主要元件為一個四象限控制器(stage 2) U1。負責饋入這個四象限轉換器的元件是一個中介匯流排轉換器VINTER (stage 1),供應的輸出電壓最低/最大值範圍為12V至24V,額定值為12V至16V,匹配標準車用電池供電軌的額定電壓範圍。整個二階式轉換器的輸出,能為負載提供3安培/ +/-10 V的輸出。控制器U1透過CTRL針腳輸出的電壓源CONTROL訊號來控制輸出電壓。


低通濾波器 CF與RF 能抒解控制電壓的快速變化。輸電電路包含兩個MOSFET; N通道QN1與P通道QP1; 兩個分立電感L1與L2; 以及輸出濾波器。選用兩個分立電感而不是單一耦合電感,目的是希望擴大合適磁鐵的範圍,延用先前核可與測試過的扼流線圈。輸出濾波器的元件只有陶瓷電容,主要是因輸出電壓具有雙極性的緣故。


二階式轉換器的輸入電壓範圍為5至24V,涵蓋包括車載電子的冷啟動電壓降以及工業應用的暫時低壓之工作需求。升壓式轉換器(stage 1)以控制器U2為基礎,每當轉換器啟動時,在12V或12V以上的電壓下能維持中介匯流排的電壓。升壓轉換器的輸電線路內含電感L3以及MOSFET Q1 和Q2。這種二階式元件配置讓下游四象限轉換器能在所有運行條件下為負載提供±10 V的電壓。


雙極模式供應流出電流時如何運作

圖2的示波圖是圖1電路在工作時的狀態。當輸入電壓貫入VIN時,若輸入電源低於這個水平,升壓轉換器會把VINTER調節至12V。若VIN超過12V車用電源軌的額定12V,則升壓轉換器就會進入直通(Pass-Thru)模式或線路模式(wire mode),在這種模式下,頂端MOSFET Q1提升至100%工作週期,永遠保持工作狀態,因此不會出現切換 – 電壓VINTER貫入四象限轉換器後仍維持相對穩定,電壓值和VIN相同。



圖1 : 雙極/雙向/兩端點(2-terminal)電源供應器的電路圖 : VIN = 5 V 至24 V, VOUT = 3安培電流下+/-10 V
圖1 : 雙極/雙向/兩端點(2-terminal)電源供應器的電路圖 : VIN = 5 V 至24 V, VOUT = 3安培電流下+/-10 V

圖2 : 波形顯示 VIN 從14V降至5V。 VIN = 5 V/div, VOUT = 5 V/div,升壓轉換器 = 10 V/div,時間尺度為 200 μs/div.
圖2 : 波形顯示 VIN 從14V降至5V。 VIN = 5 V/div, VOUT = 5 V/div,升壓轉換器 = 10 V/div,時間尺度為 200 μs/div.

這種方法能大幅提升典型二階式元件的系統效率(前面是一個升壓轉換器,後面接著降壓/升降壓元件)。這是因為直通模式的效率,系統大多數時間,可能極接近100%,主要都是用來把電源系統調成單階轉換器。如果輸入電壓皆低於12V – 例如在冷車啟動時 – 則升壓轉換器就會把VINTER 轉換成12V。這種方式讓四象限轉換器即使在面對輸入電壓急驟下降的狀況仍能供應±10 V的電壓。


當控制電壓為最大值 – 在這個例子中為1.048V – 轉換器輸出10V電壓。如果控制電壓為最小值(100 mV),轉換器輸出為 -10V。控制電壓對輸出電壓的關係如圖3所示,控制電壓為一個頻率60 Hz的正弦波訊號,峰對峰振幅為0.9048V。產生的轉換器輸出為一個對應的60Hz正弦波,峰對峰振幅為20V。輸出電壓從-10V順暢轉換至10V。



圖3 : 正弦波輸出波形和正弦波控制訊號成函數關係。VCTRL= 0.5 V/div, VOUT = 5 V/div,時間尺度為 5 ms/div。
圖3 : 正弦波輸出波形和正弦波控制訊號成函數關係。VCTRL= 0.5 V/div, VOUT = 5 V/div,時間尺度為 5 ms/div。

在這個工作模式中,四象限轉換器會調節輸出電壓。U1會透過FB針腳的暫存器RFB感測到輸出電壓。接著把針腳電壓和控制電壓做比對,根據比較結果,轉換器的工作週期 – QN1上的閘極訊號-則會進行調整,藉以將輸出電壓維持在調節範圍。


倘若VINTER、CONTROL、或是VOUT 產生變化,系統則會調整工作週期以調節輸出電壓。MOSFET QP1的切換會和QN1同步,藉以達到同步調節的作業,進一步增進效率,流程如圖4所示。



圖4 : 效率與負載電流
圖4 : 效率與負載電流

當雙極電源成為負載時如何運作: 其會汲入電流

這個二階式調節元件能作為電流流出或電流流入端。在電流流入模式中,電流與供電的流動方向和輸出VOUT往輸入VIN的方向相反。這對車載電子以及某些音響系統相當重要。我們以詳細註解(verbiage)方式逐步說明這種模式,VOUT 現在成為輸入端,而VIN則變成輸出端。此外,本文討論的範圍僅限於VINTER匯流排電壓等於或大於12V的應用。


在逆電流模式中,四象限轉換器會調節從VOUT 流向VIN的輸出電流; 在這種模式中轉換器並不會調節電壓。當圖1中的感測電阻RS2出現電壓降,四象限控制器會感測到輸出電流,並調節工作週期,藉以將電壓降維持在這個解決方案的設定值50mV。


當四象限轉換器在VINTER匯流排上產生的電壓超過規範的最低值,升壓轉換器就會輸入直通(Pass-Thru)模式,頂端MOSFET Q1維持常時啟動,並為輸出至VIN (負載)端子提供預設值電流,達到最小的損耗。


這種工作模式通過了實驗室的驗證與測試。圖1所示的VOUT電路連到實驗室電源供應器,電壓設為12.5V,VIN連到一個電子負載,通過轉換器的電流則設為4.5安培。圖5顯示四象限轉換器的熱溫影像。



圖5 : 負載中四象限轉換器輸電線路(逆向電流)模式的熱溫影像。4.5安培的電流從 VOUT 端子流向 VIN ,透過VOUT輸出一個12.5V的電壓。
圖5 : 負載中四象限轉換器輸電線路(逆向電流)模式的熱溫影像。4.5安培的電流從 VOUT 端子流向 VIN ,透過VOUT輸出一個12.5V的電壓。

圖6的照片是轉換器本身,包含兩塊焊在一起的ADI展示電路板:亦即市售的DC2846A 升壓轉換器展示電路板,以及 DC2240A 四象限轉換器展示板



圖6 : 將兩個ADI市售展示板卡焊在一塊,組成測試電路的照片。左邊是LTC7804 (DC2846A),右邊則是 LT8714 (DC2240A).
圖6 : 將兩個ADI市售展示板卡焊在一塊,組成測試電路的照片。左邊是LTC7804 (DC2846A),右邊則是 LT8714 (DC2240A).

元件挑選與輸電線路計算

針對這個應用挑選的控制器,主要考量它們在執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,具備高效率同步整流功能。LTC7804 同步升壓轉換器則內含一個內部電荷泵浦,提供高效率、無切換、直通式、100%工作模式的工作能力。


接下來的工作就是運用公式分析輸電線路元件的應力,以及初步挑選元件。為更深入瞭解功能的細節,請參閱這些元件的LTspice模型。



圖7 : 四象限轉換器輸電線路計算
圖7 : 四象限轉換器輸電線路計算

輸電線路計算


設定最低VINTER 值


四象限元件工作週期


平均L1 電流? = 效率


L1的尖峰電流


L1的尖峰電流


QN1 與QP1 的電壓應力



圖8 : 四象限轉換器協助電路計算
圖8 : 四象限轉換器協助電路計算

控制電路計算


最低負電壓VOUT 的控制電壓


設定回饋電阻RFB;


選擇RFB的最近標準值


最高正電壓VOUT的控制電壓



圖9 : 升壓轉換器計算*
圖9 : 升壓轉換器計算*

當VIN < VINTER時的升壓工作週期


*Q1、Q2 電壓應力的定義是VINTER 或VIN的最大值


數值範例

以下是一個數值範例,採用先前套用到轉換器的公式,在3安培下產生+/-10 V電壓,採用200 kHz切換頻率,效率90%:


VINTER = 12 V


D4Q = 0.647 V


根據最大電流限制 vs. LT8714資料表的工作週期圖


VCSP = 57 mV,對於指定D4Q.


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


RS2 = (50 mV/1.5) × IOUT = 0.01 ?


L1 選用10 μH 而L2 選用15 μH


IL1 = 6.1 安培; IL2 = 4.3 安培


VQ = 58 V (最大VIN為24 V)


VCTRN = 0.1 V


VCTRP = 1.048 V


RFB = 147 k?


Q1、Q2 的電壓應力為24 V


總結

本文介紹的轉換器為一款高效能解決方案,支援雙極/雙向式電源供應器。幾項功能特色為整體解決方案挹注優異效能:同步整流帶來高效率,簡單的專屬控制機制構成一個簡單介面,支援任何種類的主控端處理器以及外部控制電路。


這款特殊解決方案克服了不穩定輸入電壓的問題,包括極短的瞬態,而且能在任何工作條件下確保穩定輸出。針對此解決方案挑選適合元件,能發揮最高效率以及簡化設計流程。例如選用LT8714,即可簡單設計出雙極/雙向式電源供應器。而LTC7804則能為汽車與工業系統提供效率接近100%的電源。


(本文作者Victor Khasiev為ADI 資深應用工程師 )


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