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如何创建可编程输出反相降压-升压稳压器

时间:2018-11-16 12:06来源:德州仪器 作者:Akshay Mehta, Frank 点击:
作者:德州仪器Akshay Mehta, Frank De Stasi
在很多应用中,尤其是测试和测量领域,您都需要借助外部装置或数字模拟转换器设置反相降压/升压稳压器的输出电压。在常规的降压拓扑中,这种操作很简单:只需要借助一个带有串联电阻器的电压电源、一个电流源或者一个DAC将电流导入反馈节点,如图1所示。
 

1.采用降压拓扑的可编程电压

但是,如果您需要改变降压-升压拓扑中的电阻器的电压,就有一点麻烦了。

您可以通过反相接地和VOUT电位并使集成电路的参考位于-VOUT电位而配置降压-升压拓扑中的降压稳压器。也就是说稳压器集成电路的接地脚位于-VOUT。由于稳压器的FB引脚位于-VOUT电位而非接地电位上,将电流导入FB引脚便有一点棘手。为将电流导入反相降压-升压拓扑中的FB引脚,您需要电平移动电压源/DAC的信号。在本文中,我将向大家介绍一些不同的方法。

以德州仪器的LMZM33606为例。LMZM33606是一个额定输入电压为36V的降压电源模块,最大负载为6A。 图2说明了如何将LMZM33606设置为反相降压-升压稳压器。
 

2.利用LMZM33606反相降压-升压。

方法1:使用一个PNP的电平位移器

在这些降压-升压应用中使用LMZM33606时,可以实现-15V至-5V的可编程输出电压范围。通过电流源方法,您能够以绝对量级调低稳压器的输出。这样,在设置反馈分频器电阻器时,便可以将设计的默认输出设为-15V。添加外部电流源时,您可以将稳压器输出设置为-5V。默认输出为-15V时,计算的高反馈值和低反馈值分别为:
• RFBT = 100kΩ.
• RFBB = 7.42kΩ.

电平位移接地参考信号以将电流导入FB引脚的最简单的方法是,使用单PNP型双极性晶体管(BJT)。图三说明了如何将一个单PNP作为电平位移器使用。
 

 
3.使用单PNP的部署。

PNP Q1的基极接地,反射极通过电阻器连接DAC/电压源。电压源高于PNP基地发射下拉(VBE)时,会产生等式1所述的电流:
 


Rext设定为50kΩ。FB节点可以应用基尔霍夫电流定律,您可以使用等式2计算电流IX:
 

在等式2中代入等式1,得出等式3,由此可以计算出调整输出电压VOUT所需的编程电压VX:
 


将等式3变成等式4,可以得出根据VX值进行变成的VOUT:
 


等式4说明了VOUT对晶体管VBE的从属关系。晶体管VBE本身取决于集电极电流,随温度变化时,会影响编程VOUT的精确度。

下一个方法说明了如何从等式中移除VBE。图4所示是一个有两个PNP晶体管的电路,所采用的连接方式可以抵消VBE的影响。

方法2:使用两个PNP的电平位移器
 


4.使用两个PNP抵消VBE的部署。

本方法需要使用两个PNP,最好是使用两个组合包装的PNP BJT,以确保两个晶体管之间匹配良好。本方法还可以减少输出电压编程中的错误。

Q1晶体管的基极连接至程控电压源。发射极经由一个串联电阻器RS连接至另一个正电轨,并且集电极接地。这样便可以在晶体管的发射极形成一个VX + VBE电压。Q2晶体管的发射极通过电阻器RX连接至Q1的发射极。RX设置导入FB节点的电流。基极接地后,Q2发射极节点产生一个+VBE。等式5计算了流至发射极的电流(理想情况):
 

 
之前曾解释过,晶体管的VBE取决于集电极电流,如等式6所述:
 

 
其中IC为集电极电流,IS为饱和电流,VT为热电压。

如果两个晶体管的集电极电流差异较大,则VBE不会完全彼此抵消。等式7阐述了晶体管两个VBE之间的差异:
 


 
简化为等式8:
 

其中X为两个集电极电流的比率。

如您所见,如果两个集电极电流相同,则VBE将完全抵消。在图4所示的配置中,设定RS的值时,需要确保集电极电流之间的差异不是太大。在本例中,我选择的RS为10kΩ,RX为50kΩ。VBE的增量也会随着VT而变化,它会随着温度变化而发生。

方法3:改良版威尔逊电流镜
使用电流镜匹配集电极电流是一个非常有效的方法。对此,相比常规的电流镜,威尔逊电流镜是一个更好的选择。图5是威尔逊电流镜中使用的原理图。
 



5.使用威尔逊电流镜部署

本方法中,有另外一个BJT,基极连接至Q1的集电极。Q3的发射极连接至电流镜的VBE结点。程控电流经Q3晶体管的集电极流至FB引脚。

现在可暂时忽略电阻器RB,等式9按照以下方式计算导入本设置中的参考电流:
 


等式10得出了导入电流与参考电流的比率。
 


在晶体管的增量() 为较大的值时,可以看到威尔逊电流镜的精度远高于标准电流镜。

威尔逊电流镜不会完全消除对VBE的依赖性。但可以通过一个简单的方法避开。将电阻器RB从源VX连接至电流镜基极,如图5所示,形成一个添加至参考电流IX的电流。将等式9改写为等式11:
 


等式12选择RB:
 

 
等式13:
 

 
等式13中的VBE组件完全抵消,得出等式14:
 


等式14说明,导入FB节点的电流仅基于程控电压,不受VBE影响。

无论使用哪一种方法,都可以借助少数几个组件为反相电轨创建一个程控输出电压。电路的复杂性依具体的系统要求而异。对于要求极高保真度的应用,威尔逊电流镜是最佳的解决方案,因为它可以得出与程控电压最接近的响应。

参考文献
LMZM33606数据表
了解有关TI Power的更多信息:
1. 参阅《电源设计基础》
全书内容丰富、完整,囊括了从电路元器件,电源基本电路拓扑,各种控制策略,磁元件设计,辅助电源电路,电磁噪声处理,电源故障管理,实现高效率设计,数字功率控制以及电源结构这些涉及电源几乎所有方方面面的完整内容。
 
作者简介:罗伯特A曼马诺( Robert A. Mammano) 是电力电子领域的先驱,在模拟电源控制领域,拥有超过50年的经验。他还被称为"PWM控制器行业之父",于1974年设计了第一个完全集成的PWM控制器IC SG1524。曼马诺于1957年在科罗拉多大学获得物理学学位,从此开始了他的职业生涯。
 
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(责任编辑:helen)
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