負(fù)輸入電壓的“平行宇宙 (Parallel Universe)”
作者: John Betten 和 Brian King,德州儀器 (TI) 應(yīng)用工程師
非隔離正輸入拓?fù)渚哂幸恍┛捎糜谪?fù)輸入電壓的鏡像拓?fù)洌且貏e注意控制器的選擇以及偏置電源和反饋的實(shí)施。
當(dāng)今消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用了大量的開關(guān) DC/DC 電源。大多數(shù)應(yīng)用都使用了一種提供正 DC 電壓的輸入源,該電壓以系統(tǒng)接地為參考。這些電源通常包括電池、墻上適配器或穩(wěn)壓 AC 電源。眾所周知的一些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(例如:降壓拓?fù)洹⑸龎和負(fù)洹⒎聪嘟祲荷龎和負(fù)浜蛦味艘淮蝹?cè)電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 等)通常被用于從一個(gè)未穩(wěn)壓 DC 電源獲得穩(wěn)定的電壓。這些常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可將正輸入電壓轉(zhuǎn)換為正輸出電壓或負(fù)輸出電壓。
當(dāng)必須將負(fù)輸入電壓用作 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入源時(shí)困難就出現(xiàn)了。諸如反向或正向的變壓器隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以被用于負(fù)輸入電壓。但是,變壓器隔離拓?fù)渫鶗?huì)比非隔離拓?fù)湟蟆A硗猓祟愖儔浩鲙缀醵际且恍┎少?gòu)周期長(zhǎng)、成本較高的定制器件。
幸運(yùn)的是常用非隔離正輸入拓?fù)涠紦碛锌梢员挥糜谪?fù)輸入電壓的鏡像拓?fù)洹D 1 幫助我們形象化了拓?fù)涞倪x擇過程。在該圖中,我們根據(jù)輸入電壓繪制出了相應(yīng)的輸出電壓,用虛線畫出的對(duì)角線表明輸入電壓和輸出電壓相等。右半邊代表類似的正輸入拓?fù)洌蟀脒厔t代表較少見的負(fù)輸入拓?fù)洹_@些轉(zhuǎn)換器之間的許多相似之處顯示其看起來像一個(gè)負(fù)輸入電壓的平行宇宙。
圖 1
降壓拓?fù)?/strong>
降壓轉(zhuǎn)換器是所有電力電子課程教授的第一種開關(guān)模式拓?fù)洌欢诶L制一個(gè)負(fù)輸入降壓拓?fù)鋾r(shí)大多數(shù)設(shè)計(jì)人員還是會(huì)猶豫不決。正如與其相對(duì)的正輸入降壓拓?fù)湟粯樱?fù)輸入降壓拓?fù)渚哂幸粋(gè)始終比輸出要大的輸入。圖 2 顯示了這兩種拓?fù)涞暮?jiǎn)化示意圖。二者都使用了相同的電源組件,只是其相對(duì)于接地的位置有所不同。實(shí)施負(fù)輸入降壓拓?fù)涞囊恍╇y點(diǎn)包括控制器偏置、輸出反饋和驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)。
圖 2
圖 3 顯示的是一款負(fù)輸入降壓穩(wěn)壓器的有效實(shí)施。本例中,控制器直接從負(fù)輸入軌獲得電源,同時(shí)系統(tǒng)接地將為控制器的 VCC 提供電力。應(yīng)該多加注意以確保輸入電壓永遠(yuǎn)不會(huì)超出控制器的較大額定值 VCC。控制電路會(huì)驅(qū)動(dòng)一個(gè) N 通道MOSFET,因?yàn)樵摽刂破骶哂信c FET 源相同的接地參考電壓。另外,開關(guān)電流在 FET 電源線內(nèi)可以被檢測(cè)到,從而輕松實(shí)施電流模式控制。
與正輸入降壓拓?fù)洳煌敵鲭妷翰⒉幌窨刂齐娐纺菢庸蚕硗粋(gè)接地,這樣反饋電路就稍顯復(fù)雜了一些,并且要求一個(gè)電平變換電路。為了保持輸出電壓的穩(wěn)定,TLV431 將電流吸至其負(fù)極,從而迫使電流流入 R10。這樣便可提供輸出穩(wěn)壓所需但需變換至控制器接地參考電壓的反饋電壓。
圖 3
升壓拓?fù)?/strong>
升壓轉(zhuǎn)換器可以被看作是降壓轉(zhuǎn)換器的相反面,其升高而非降低輸入電壓的輸出電壓。圖 4 所示簡(jiǎn)化電路表明了正輸入升壓與負(fù)輸入升壓之間的一些相似性。
圖 4
兩者之間的功能形成互補(bǔ),特別是通過電感及二極管的輸入和輸出之間的 DC 路徑。輸入到輸出的“非開關(guān)”路徑為電流始終流至輸出提供了一條路徑。這樣,在轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換以前,輸出電壓保持極為接近于輸入電壓。這就使升壓控制器能夠被輸出電壓偏置,所圖 5 所示。
控制器必須要有一個(gè)略低于較小輸入電壓的開啟電壓閾值,同時(shí)還必須能夠承受得住經(jīng)過升壓的輸出電壓。正輸入升壓的 N 通道電源開關(guān)變?yōu)樨?fù)輸入升壓中的一個(gè) P 通道 FET。可以使用一個(gè) N 通道 FET,但是它會(huì)要求一個(gè)電平變換驅(qū)動(dòng)器(例如:柵極驅(qū)動(dòng)變壓器),從而增加成本和復(fù)雜程度。
圖 5 使用了 TPS40200 控制器,其可直接驅(qū)動(dòng) P 通道 FET。控制器直接檢測(cè)輸出電壓,因此反饋較為簡(jiǎn)單。由于控制器以輸出接地作為參考,接地電平變換電路并非是必需的。連接控制器的另一種方法是將其偏置于輸入電壓而非輸出。這要求一個(gè)與降壓轉(zhuǎn)換器中所用的相似的電平變換反饋。
圖 5
降壓—升壓拓?fù)?/strong>
反相降壓—升壓電路提供了一個(gè)與輸入電壓極性相反的輸出電壓。大多數(shù)反相降壓—升壓轉(zhuǎn)換都會(huì)從正輸入端獲得一個(gè)負(fù)輸出電壓。圖 6 顯示了如何從一個(gè)負(fù)輸入端獲得一個(gè)正輸出。與大多數(shù)負(fù)輸入拓?fù)湟粯樱@種控制電路的接地和 FET 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)并不總是那么簡(jiǎn)單明了。
圖 6
圖 7 顯示的是一種實(shí)用的有效實(shí)施。該控制器布局與負(fù)輸入降壓轉(zhuǎn)換器相類似。圖 7 所示電平變換電路必須能夠在一個(gè)較大(相對(duì)于降壓)電位上轉(zhuǎn)換反饋。Q1 必須具有一個(gè)集電極-發(fā)射極電壓額定值,其值約等于輸入電壓加輸出電壓。在一些諸如要求更多正電壓的負(fù)輸入遠(yuǎn)距離通信應(yīng)用中,這種電路非常有用。
圖 7
SEPIC 及其他拓?fù)?/strong>
無論輸入大于還是小于輸出,SEPIC轉(zhuǎn)換器都可提供穩(wěn)定的輸出。它同時(shí)結(jié)合了降壓和升壓的功能。然而,較多的電容和電感以及更為復(fù)雜的控制特性,恰恰讓 SEPIC 成為較難了解的拓?fù)渲弧?/p>
圖 8 顯示了傳統(tǒng) SEPIC 和負(fù)輸入 SEPIC 的簡(jiǎn)化示意圖。電源開關(guān)被開啟的部分開關(guān)周期內(nèi),輸入電感中電流呈斜坡上升。兩個(gè)電感之間的 AC 耦合電容器保持一個(gè)始終與輸入電壓 (VIN) 相等的電壓。
FET 開啟后,電容的極性反向偏置輸出二極管,從而阻止能量向輸出端傳輸。另外,在此期間,電流在 AC 耦合電容和輸出電感之間循環(huán)。在電源開關(guān)關(guān)閉的部分開關(guān)周期內(nèi),輸入電感的極性倒轉(zhuǎn),從而驅(qū)使電流通過 AC 耦合電容和二極管流入輸出電容和負(fù)載。
圖 8
圖 9 顯示了負(fù)輸入 SEPIC 的一種有效實(shí)施。與升壓電路一樣,該電路一般使用一個(gè) P 通道 FET,因此諸如帶有 P 通道驅(qū)動(dòng)器的 TPS40200 控制器是一種不錯(cuò)的選擇。反饋要求電平變換,其可以由用于負(fù)輸入降壓轉(zhuǎn)換器的相同電路來實(shí)現(xiàn)。P 通道控制器通常為電壓模式控制,這會(huì)使控制環(huán)路變得稍微復(fù)雜一些。
圖 9
將拓?fù)溆成涞截?fù)輸入電壓領(lǐng)域中的這些技術(shù)適用于所有拓?fù)洹A硗鈨煞N拓?fù)浞謩e是 Cuk 和 ZETA 轉(zhuǎn)換器。ZETA 轉(zhuǎn)換器所實(shí)現(xiàn)的功能與 SEPIC 相同,而 Cuk 則可以被用于代替反相降壓升壓拓?fù)洹@秘?fù)輸入,ZETA 可使用一個(gè)電流模式控制的 N 通道 FET,相比負(fù)輸入 SEPIC 它可能是更為適合的選擇。但是,相比反相降壓升壓拓?fù)洌珻uk 的組件更多、體積更大并且成本更高。
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