通過5 V至24 V輸入提供雙極性、雙向DC-DC流入和流出電流

簡介

大部分電子系統(tǒng)都依賴于正電壓軌或負(fù)電壓軌，但是有些應(yīng)用要求單電壓軌同時為正負(fù)電壓軌。在這種情況下，正電源或負(fù)電源由同一端子提供，也就是說，電源的輸出電壓可以在整個電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并且可以平穩(wěn)轉(zhuǎn)換極性。例如，一些汽車和音頻應(yīng)用除了需要傳統(tǒng)電壓源外，還需要能夠用作負(fù)載以及從輸出端子吸取電流的電源。汽車系統(tǒng)中的再生制動就是這種應(yīng)用。關(guān)于單端子雙極性電源已有相關(guān)文獻(xiàn)介紹，但是對于能夠在輸入有電壓降期間工作(例如冷啟動條件下)，同時繼續(xù)提供雙向功能的解決方案沒有看到相關(guān)資料。本文介紹一種不受輸入電壓變化影響，同時產(chǎn)生功率并實(shí)現(xiàn)反向電流流動(即從輸出到輸入)的解決方案。

雙極性雙向電源電路

圖1所示為以4象限控制器(第2級)U1為中心的2級電源。這個4象限轉(zhuǎn)換器由中間總線轉(zhuǎn)換器VINTER(第1級)提供饋電，提供12 V 至24 V范圍的輸出電壓，標(biāo)稱電壓為12 V至16 V，與標(biāo)準(zhǔn)汽車電池電壓軌的標(biāo)稱電壓范圍匹配。整個2級轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為±10 V， 提供3 A負(fù)載電流。輸出電壓由控制器U1的CTRL引腳上的電壓源CONTROL信號控制。

圖 1. 雙極性、雙向、雙端子電源的電氣原理圖： VIN = 5 V至 24 V, 3 A 時 VOUT = ±10 V 。

通過低通濾波器CF, RF緩解控制電壓的急劇變化。傳動系統(tǒng)包含兩個MOSFET，分別是N溝道QN1和P溝道QP1;兩個分立電感L1和L2以及一個輸出濾波器。用兩個分立電感替代單個耦合電感可以擴(kuò)展適用的磁電范圍，并且可以使用以前經(jīng)過認(rèn)證和測試的扼流圈。因?yàn)檩敵鼍哂须p極性特性，所以輸出濾波器僅采用陶瓷電容組成。

整個2級轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為5 V至24 V，涵蓋汽車電子的冷啟動壓降和工業(yè)應(yīng)用中的掉電情況。啟用轉(zhuǎn)換器時，基于控制器U2的升壓轉(zhuǎn)換器(級1)使中間總線電壓保持在或高于12 V。升壓轉(zhuǎn)換器的動力系統(tǒng)包含電感L3、MOSFET Q1和Q2。2級結(jié)構(gòu)支持下游的4象限轉(zhuǎn)換器正常工作，在所有工作條件下向負(fù)載提供±10 V電壓。

雙極性電源提供電流的工作原理

圖2的波形顯示了圖1電路的工作狀態(tài)。在VIN端施加輸入電壓時，如果輸入降至12 V以下，升壓轉(zhuǎn)換器會將其輸出VINTER調(diào)節(jié)至12 V。如果 VIN 超過標(biāo)稱12 V汽車電軌的12 V典型值，升壓轉(zhuǎn)換器會進(jìn)入 Pass-Thru? 。在這種模式下，頂部MOSFET Q1會在100%占空比始終導(dǎo)通工作，所以不會進(jìn)行切換操作;施加于4象限轉(zhuǎn)換器的電壓 VINTER相對穩(wěn)定地保持在 VIN。

圖 2.VIN從 14 V 降低至 5 V 時的波形。VIN = 5 V/div ，VOUT = 5 V/div ，升壓 SW = 10 V/div ，時標(biāo)為 200 μs/div 。

與典型的2級器件(即升壓轉(zhuǎn)換器后接降壓/反相)相比，這種方法大幅提升了系統(tǒng)效率。這是因?yàn)镻ass-Thru模式下(系統(tǒng)大部分時間都處于此模式)的效率可以接近100%，實(shí)質(zhì)上將功率系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱渭夀D(zhuǎn)換器。如果輸入電壓降低至12 V電平以下(例 如，在冷啟動期間)，升壓轉(zhuǎn)換器將切換為將VINTER 至 12 V調(diào)節(jié)至12 V。采用此方法，即使輸入電壓急劇下降，4象限轉(zhuǎn)換器也能夠提供±10 V電壓。

控制電壓達(dá)到最大值(在本例中，為1.048 V)時，轉(zhuǎn)換器輸出為+10 V?？刂齐妷哼_(dá)到最小值(100 mV)時，轉(zhuǎn)換器輸出為–10 V?？刂齐? 壓與輸出電壓之間的關(guān)系如圖3所示，其中控制電壓為60 Hz正弦信號頻率，峰峰值幅度為0.9048 V。由此得到的轉(zhuǎn)換器輸出為相應(yīng)的 60 Hz正弦波，峰峰值幅度為20 V。輸出從–10 V平穩(wěn)變化為+10 V。

圖 3. 與正弦控制信號呈函數(shù)關(guān)系的正弦波輸出波形。 VCTRL= 0.5 V/div, VOUT = 5 V/div ，時標(biāo)為 5 ms/div 。

在此工作模式下，4象限轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)輸出電壓。輸出電壓由U1通過其FB引腳上的電阻RFB 來感測。將該引腳上的電壓與控制電壓相比較，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的占空比(即QN1上的柵極信號)，使輸出電壓保持穩(wěn)定。如果VINTER, CONTROL, 或 VOUT 發(fā)生變化，會進(jìn)行占空比調(diào)制，從而相應(yīng)地調(diào)節(jié)輸出。MOSFET QP1與QN1同步開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)同步整流，進(jìn)一步充分提高效率，如圖4所示。

圖 4. 效率與負(fù)載電流的關(guān)系。

雙極性電源提供電流的工作原理

圖2的波形顯示了圖1電路的工作狀態(tài)。在VIN 端施加輸入電壓時，如果輸入降至12 V以下，升壓轉(zhuǎn)換器會將其輸出VINTER調(diào)節(jié)至12 V。如果VINN 超過標(biāo)稱12 V汽車電軌的12 V典型值，升壓轉(zhuǎn)換器會進(jìn)入Pass-Thru TM 模式。在這種模式下，頂部MOSFET Q1會在100%占空比始終導(dǎo)通工作，所以不會進(jìn)行切換操作;施加于4象限轉(zhuǎn)換器的電壓VINTER相對穩(wěn)定地保持在VIN 。

電流反向流動時，4象限轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)從VOUT 流至VIN 的輸出電流;在這種模式下，轉(zhuǎn)換器不調(diào)節(jié)電壓。4象限控制器感測檢測電阻(圖1中為RS2)兩端產(chǎn)生壓降時的輸出電流，并調(diào)節(jié)其占空比，使壓降保持在設(shè)定值(在本解決方案中為50 mV)。

當(dāng)4象限轉(zhuǎn)換器在VINTER 總線上產(chǎn)生的電壓超過規(guī)定的最小值時，升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)入Pass-Thru模式，頂部MOSFET Q1始終導(dǎo)通，并盡可能以最低損耗將輸出電流預(yù)設(shè)值提供給 VIN(負(fù)載)端子。

此工作模式已經(jīng)過測試和驗(yàn)證。為此，將圖1中電路的 VOUT 連接至實(shí)驗(yàn)室電源(設(shè)置為12.5 V)，將VIN連接至電子負(fù)載，將流經(jīng)轉(zhuǎn)換器的電流設(shè)置為4.5 A。4象限轉(zhuǎn)換器的熱影像如圖5所示。

圖 5. 4 象限轉(zhuǎn)換器傳動系統(tǒng)在負(fù)載(反向電流)模式下的熱影像。 4.5 A 電流從VOUT 端子流至 12.5 V 電源 (VOUT) 的VIN 。

圖6所示為轉(zhuǎn)換器實(shí)物照片，它由兩個焊接在一起的ADI演示電路組成：分別是DC2846A 升壓轉(zhuǎn)換器演示電路和DC2240A 4象限轉(zhuǎn)換器演示電路。

圖 6. 將兩個現(xiàn)成的 ADI 演示板焊接在一起組成的測試電路實(shí)物照片。左側(cè)為 LTC7804 (DC2846A) 。右側(cè)為 LT8714 (DC2240A) 。

組件選擇和傳動系統(tǒng)計(jì)算

此應(yīng)用選擇的這兩個控制器都具備高性能、高效率，并且簡單易用。 Linear?是一款易于使用的4象限控制器，支持高效同步整流。LTC7804同步升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)置電荷泵，提供高效、無需切換的Pass-Thru 100%占空比工作模式。

接下來針對傳動系統(tǒng)組件和初步選擇的組件進(jìn)行應(yīng)力分析。為了更深入地了解功能詳情，請參考這些器件的 LTspice®模型。

表1. 4象限轉(zhuǎn)換器傳動系統(tǒng)計(jì)算

表2. 4象限轉(zhuǎn)換器控制電路計(jì)算

表3. 升壓轉(zhuǎn)換器計(jì)算*

數(shù)值示例

這是一個數(shù)值示例，將之前的公式應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器，在3 A、200 kHz 開關(guān)頻率和90%效率下產(chǎn)生±10 V：

VINTER = 12 V

D4Q = 0.647 V

根據(jù)LT8714數(shù)據(jù)手冊中的最大限流值與占空比關(guān)系圖，對于給定的 D4Q，VCSP = 57 mV。

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

RS2 = (50 mV/1.5) × IOUT = 0.01 Ω

選擇L1為10 μH，L2為15 μH

IL1 = 6.1 A; IL2 = 4.3 A

VQ = 58 V 最大V IN 為24 V時)

VCTRN = 0.1 V

VCTRP = 1.048 V

RFB = 147 kΩ

Q1、Q2電壓應(yīng)力為24 V

結(jié)論

本文介紹了一種可實(shí)現(xiàn)雙極性、雙向電源的高性能轉(zhuǎn)換器解決方案。具有以下有助于提高解決方案整體性能的特性：同步整流可產(chǎn)生高效率，簡單易行的專用控制方案可輕松連接各種類型的主機(jī)處理器和外部控制電路。這種解決方案解決了輸入 電壓不穩(wěn)的問題(包括快速瞬變)，確保在所有工作條件下都能提供穩(wěn)定的輸出電壓。本解決方案選擇的器件可充分提高效率，簡化設(shè)計(jì)。例如，利用ADI公司的LT8714可以輕松設(shè)計(jì)雙極性、雙向電源。在汽車和工業(yè)環(huán)境中，LTC7804可作為中間電源，實(shí)現(xiàn)接近100%的工作效率。