如何設(shè)計(jì)高壓 DCM 反相電荷泵轉(zhuǎn)換器

時(shí)間：2024-12-17 20:24:23

關(guān)鍵字：高壓 DCM 反相電荷泵

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[導(dǎo)讀]需要低電流、負(fù)高壓來偏置先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)中的傳感器、聲納應(yīng)用的超聲波換能器以及通信設(shè)備。反激式、Cuk 和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器都是可能的解決方案，但會(huì)受到笨重變壓器(反激式和 Cuk)的不利影響，或者控制器的輸入電壓額定值(反相降壓-升壓)限制其最大負(fù)電壓。在本電源技巧中，我將詳細(xì)介紹轉(zhuǎn)換器的工作原理，該轉(zhuǎn)換器將單個(gè)電感器與在不連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 下運(yùn)行的反相電荷泵配對(duì)。與接地參考升壓控制器配合使用，可以以較低的系統(tǒng)成本生成較大的負(fù)輸出電壓。

需要低電流、負(fù)高壓來偏置先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)中的傳感器、聲納應(yīng)用的超聲波換能器以及通信設(shè)備。反激式、Cuk 和反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器都是可能的解決方案，但會(huì)受到笨重變壓器(反激式和 Cuk)的不利影響，或者控制器的輸入電壓額定值(反相降壓-升壓)限制其最大負(fù)電壓。在本電源技巧中，我將詳細(xì)介紹轉(zhuǎn)換器的工作原理，該轉(zhuǎn)換器將單個(gè)電感器與在不連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 下運(yùn)行的反相電荷泵配對(duì)。與接地參考升壓控制器配合使用，可以以較低的系統(tǒng)成本生成較大的負(fù)輸出電壓。

圖 1 顯示了簡化的功率級(jí)原理圖。請注意，該原理圖與傳統(tǒng)的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器不同，后者將控制器“浮動(dòng)”在 V IN 和 ?V OUT之間。在該轉(zhuǎn)換器中，可實(shí)現(xiàn)的最大?V OUT 是控制器的最大V CC減去最大輸入電壓。這使得幾乎不可能找到能夠驅(qū)動(dòng) N 溝道場效應(yīng)晶體管 (FET) 以獲得 ?100 V 或更高輸出電壓的控制器。

圖 1電感驅(qū)動(dòng)反相電荷泵的簡化功率級(jí)

該電路的操作可分為三個(gè)區(qū)間(圖 2)。在第一個(gè)時(shí)間間隔中，F(xiàn)ET 在占空比 (d) 期間導(dǎo)通，這會(huì)在電感器上施加 V IN ，從而允許電流從零斜坡上升，從而存儲(chǔ)能量。然而，在前一個(gè)周期中，C1(保持大約等于 V OUT的電壓)已耗盡其多余的存儲(chǔ)能量，從而反向偏置 D1 和 D2。這就是為什么 D1、D2 和 C1 未在此區(qū)間中顯示的原因。 C2 提供所有負(fù)載電流。

在下一個(gè)時(shí)間間隔 d' 中，F(xiàn)ET 關(guān)閉，電感器電流開始放電，導(dǎo)致其電壓極性反轉(zhuǎn)。這大大增加了節(jié)點(diǎn) VFET 上的電壓，允許 C1 通過 D1 充電。在此期間，電流逐漸下降，直到 D1 關(guān)閉。然而，由于 D1 的反向恢復(fù)特性，電流在最終關(guān)閉之前變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)電感電流斜率發(fā)生變化，其電壓極性再次反轉(zhuǎn)。

第三個(gè)間隔 d'' 是能量從 C1 轉(zhuǎn)移到 C2 的時(shí)間。當(dāng) D1 停止導(dǎo)通時(shí)，電感器電壓被鉗位至 V IN，因?yàn)?VFET 節(jié)點(diǎn)電壓被流經(jīng) FET 體二極管的電流路徑強(qiáng)制接地。電流流經(jīng) D2，直到 C1 和 C2 兩端的電壓相等，但電流繼續(xù)流經(jīng) FET 的體二極管，直到電感器電流達(dá)到零。此時(shí)，電感器兩端的電壓崩潰并與電路寄生效應(yīng)產(chǎn)生諧振，直到 FET 再次導(dǎo)通。

圖 2 DCM 操作的三個(gè)階段

圖 3 詳細(xì)列出了關(guān)鍵電壓和電流波形。 DCM 操作可實(shí)現(xiàn)盡可能最小的電感，但峰值電流更高。 DCM 操作的電感是在最大占空比、最小 V IN 和滿負(fù)載時(shí)確定的。根據(jù)控制器數(shù)據(jù)表仔細(xì)檢查最大占空比，但您通?？梢赃x擇 60%-90%，否則可能會(huì)發(fā)生脈沖跳躍。較大的電感將推動(dòng)操作進(jìn)入連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM)，因?yàn)殡娏髟谙乱粋€(gè)開關(guān)周期之前不會(huì)返回到零。這導(dǎo)致使用的電感器可能比所需的大，并且需要額外小心以防止次諧波振蕩。

圖3 DCM中的關(guān)鍵電路波形

設(shè)計(jì)方程

對(duì)于 DCM 操作，公式 1 滿足涉及電感器存儲(chǔ)能量的關(guān)系：

其中 i pk 是峰值電感電流，η 是轉(zhuǎn)換器的效率。峰值電感電流等于公式 2：

根據(jù)以下兩個(gè)方程，方程 3 用以下公式表示占空比 (d)：

由于 V IN 是 FET 導(dǎo)通時(shí)電感器兩端的電壓，i pk 是占空比 d 結(jié)束時(shí)的電感器電流，因此將公式 2 代入公式 3 可得出公式 4 和 5：

間隔 d' 期間的平均負(fù)載電流由等式 6 和 7 中的幾何關(guān)系確定：

將公式 2 代入公式 7 得到公式 8：

該周期的剩余時(shí)間定義為 d''，即能量轉(zhuǎn)移到 C2 且剩余電感器電流放電至零的時(shí)間(公式 9)：

圖 4 顯示了使用倍壓器實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換器的示例原理圖，該轉(zhuǎn)換器允許每個(gè)功率級(jí)組件的電壓應(yīng)力等于全輸出電壓的一半。這提供了更廣泛的組件可供選擇。在此應(yīng)用中，計(jì)算電感時(shí)假定輸出電壓為二分之一，但負(fù)載電流為負(fù)載電流的兩倍。