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    雙極/雙向直流對直流電源供應(yīng)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: [17612]

    大多數(shù)電子系統(tǒng)依賴電源電壓軌供應(yīng)正電壓或負(fù)電壓,但少數(shù)應(yīng)用會需要個別供電軌能同時提供正負(fù)兩種電壓。在這些情況中,正電或負(fù)電是由同一個終端供應(yīng) – 電源供應(yīng)器的輸出電壓可調(diào)至整個電壓範(fàn)圍,並流暢地切換極性。


    舉例來說,有些汽車與音響應(yīng)用除了傳統(tǒng)電壓源之外,還會要求電源供應(yīng)器從輸出端子供應(yīng)負(fù)載以及流入電流。汽車系統(tǒng)中的反饋式再生煞車就是一個例子。單端式雙極電源供應(yīng)器的規(guī)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(xù)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(chǎn)生供電以及逆轉(zhuǎn)電流方向,亦即從輸出轉(zhuǎn)向輸入。


    雙極/雙向電源供應(yīng)器電路

    圖1 顯示一個二階式電源供應(yīng)器,主要元件為一個四象限控制器(stage 2) U1。負(fù)責(zé)饋入這個四象限轉(zhuǎn)換器的元件是一個中介匯流排轉(zhuǎn)換器VINTER (stage 1),供應(yīng)的輸出電壓最低/最大值範(fàn)圍為12V至24V,額定值為12V至16V,匹配標(biāo)準(zhǔn)車用電池供電軌的額定電壓範(fàn)圍。整個二階式轉(zhuǎn)換器的輸出,能為負(fù)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(kuò)大合適磁鐵的範(fàn)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(zhuǎn)換器的輸入電壓範(fàn)圍為5至24V,涵蓋包括車載電子的冷啟動電壓降以及工業(yè)應(yīng)用的暫時低壓之工作需求。升壓式轉(zhuǎn)換器(stage 1)以控制器U2為基礎(chǔ),每當(dāng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的輸電線路內(nèi)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(zhuǎn)換器能在所有運行條件下為負(fù)載提供±10 V的電壓。


    雙極模式供應(yīng)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(tài)。當(dāng)輸入電壓貫入VIN時,若輸入電源低於這個水平,升壓轉(zhuǎn)換器會把VINTER調(diào)節(jié)至12V。若VIN超過12V車用電源軌的額定12V,則升壓轉(zhuǎn)換器就會進(jìn)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(yuǎn)保持工作狀態(tài),因此不會出現(xiàn)切換 – 電壓VINTER貫入四象限轉(zhuǎn)換器後仍維持相對穩(wěn)定,電壓值和VIN相同。



    圖1 : 雙極/雙向/兩端點(2-terminal)電源供應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)效率(前面是一個升壓轉(zhuǎn)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(tǒng)大多數(shù)時間,可能極接近100%,主要都是用來把電源系統(tǒng)調(diào)成單階轉(zhuǎn)換器。如果輸入電壓皆低於12V – 例如在冷車啟動時 – 則升壓轉(zhuǎn)換器就會把VINTER 轉(zhuǎn)換成12V。這種方式讓四象限轉(zhuǎn)換器即使在面對輸入電壓急驟下降的狀況仍能供應(yīng)±10 V的電壓。


    當(dāng)控制電壓為最大值 – 在這個例子中為1.048V – 轉(zhuǎn)換器輸出10V電壓。如果控制電壓為最小值(100 mV),轉(zhuǎn)換器輸出為 -10V。控制電壓對輸出電壓的關(guān)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(chǎn)生的轉(zhuǎn)換器輸出為一個對應(yīng)的60Hz正弦波,峰對峰振幅為20V。輸出電壓從-10V順暢轉(zhuǎn)換至10V。



    圖3 : 正弦波輸出波形和正弦波控制訊號成函數(shù)關(guān)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(shù)關(guān)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(zhuǎn)換器會調(diào)節(jié)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(jù)比較結(jié)果,轉(zhuǎn)換器的工作週期 – QN1上的閘極訊號-則會進(jìn)行調(diào)整,藉以將輸出電壓維持在調(diào)節(jié)範(fàn)圍。


    倘若VINTER、CONTROL、或是VOUT 產(chǎn)生變化,系統(tǒng)則會調(diào)整工作週期以調(diào)節(jié)輸出電壓。MOSFET QP1的切換會和QN1同步,藉以達(dá)到同步調(diào)節(jié)的作業(yè),進(jìn)一步增進(jìn)效率,流程如圖4所示。



    圖4 : 效率與負(fù)載電流
    圖4 : 效率與負(fù)載電流

    當(dāng)雙極電源成為負(fù)載時如何運作: 其會汲入電流

    這個二階式調(diào)節(jié)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(tǒng)相當(dāng)重要。我們以詳細(xì)註解(verbiage)方式逐步說明這種模式,VOUT 現(xiàn)在成為輸入端,而VIN則變成輸出端。此外,本文討論的範(fàn)圍僅限於VINTER匯流排電壓等於或大於12V的應(yīng)用。


    在逆電流模式中,四象限轉(zhuǎn)換器會調(diào)節(jié)從VOUT 流向VIN的輸出電流; 在這種模式中轉(zhuǎn)換器並不會調(diào)節(jié)電壓。當(dāng)圖1中的感測電阻RS2出現(xiàn)電壓降,四象限控制器會感測到輸出電流,並調(diào)節(jié)工作週期,藉以將電壓降維持在這個解決方案的設(shè)定值50mV。


    當(dāng)四象限轉(zhuǎn)換器在VINTER匯流排上產(chǎn)生的電壓超過規(guī)範(fàn)的最低值,升壓轉(zhuǎn)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(fù)載)端子提供預(yù)設(shè)值電流,達(dá)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(yīng)器,電壓設(shè)為12.5V,VIN連到一個電子負(fù)載,通過轉(zhuǎn)換器的電流則設(shè)為4.5安培。圖5顯示四象限轉(zhuǎn)換器的熱溫影像。



    圖5 : 負(fù)載中四象限轉(zhuǎn)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(fù)載中四象限轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器展示電路板,以及 DC2240A 四象限轉(zhuǎn)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(yīng)用挑選的控制器,主要考量它們在執(zhí)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(zhuǎn)換器則內(nèi)含一個內(nèi)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(yīng)力,以及初步挑選元件。為更深入瞭解功能的細(xì)節(jié),請參閱這些元件的LTspice模型。



    圖7 : 四象限轉(zhuǎn)換器輸電線路計算
    圖7 : 四象限轉(zhuǎn)換器輸電線路計算

    輸電線路計算


    設(shè)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(yīng)力



    圖8 : 四象限轉(zhuǎn)換器協(xié)助電路計算
    圖8 : 四象限轉(zhuǎn)換器協(xié)助電路計算

    控制電路計算


    最低負(fù)電壓VOUT 的控制電壓


    設(shè)定回饋電阻RFB;


    選擇RFB的最近標(biāo)準(zhǔn)值


    最高正電壓VOUT的控制電壓



    圖9 : 升壓轉(zhuǎn)換器計算*
    圖9 : 升壓轉(zhuǎn)換器計算*

    當(dāng)VIN < VINTER時的升壓工作週期


    *Q1、Q2 電壓應(yīng)力的定義是VINTER 或VIN的最大值


    數(shù)值範(fàn)例

    以下是一個數(shù)值範(fàn)例,採用先前套用到轉(zhuǎn)換器的公式,在3安培下產(chǎn)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(jù)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(yīng)力為24 V


    總結(jié)

    本文介紹的轉(zhuǎn)換器為一款高效能解決方案,支援雙極/雙向式電源供應(yīng)器。幾項功能特色為整體解決方案挹注優(yōu)異效能:同步整流帶來高效率,簡單的專屬控制機制構(gòu)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(wěn)定輸入電壓的問題,包括極短的瞬態(tài),而且能在任何工作條件下確保穩(wěn)定輸出。針對此解決方案挑選適合元件,能發(fā)揮最高效率以及簡化設(shè)計流程。例如選用LT8714,即可簡單設(shè)計出雙極/雙向式電源供應(yīng)器。而LTC7804則能為汽車與工業(yè)系統(tǒng)提供效率接近100%的電源。


    (本文作者Victor Khasiev為ADI 資深應(yīng)用工程師 )


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