摘要
本文详细介绍一种创建双输出电压轨的方法,该方法能为设备电源(DPS)提供正负电压轨,并且只需要一个双向电源。传统的设备电源供电方法使用两个双向(拉电流和灌电流能力)电源,一个为正电压轨供电,一个为负电压轨供电。这种配置不但笨重,且成本高昂。
简介
DPS一般与自动测试设备(ATE)和其他测量设备搭配使用。ATE是一种电脑控制机械设备,自动驱动传统的手动电子测试设备来评估功能、质量、性能和应力测试。这些ATE需要配套的DPS提供四象限电源运行能力。DPS是一种四象限电源,可以提供正电压或负电压,同时具备拉电流和灌电流能力。要使用DPS为更大电流的应用供电,需要将多个DPS设备组合在一起,以提高解决方案的电流容量。DPS可以提供拉电流和获取灌电流,所以DPS的电源必须具备同样的功能。采用双输出电压轨设计旨在将所需的双向电源的数量减少至一个,同时仍然为DPS提供正负双向电源。构建双向正电源非常简单,可以使用市面上提供拉电流和灌电流的多种IC实现。问题在于根据受测设备(DUT)的要求,负电源也需要具有拉电流和灌电流能力。一种解决方案是使用双向降压IC,该IC可以配置用作反相降压-升压转换器。例如LTC3871,这是一个双向降压或升压控制器,可用于正电压轨和负电压轨。
使用降压IC设计反相降压-升压转换器
图1显示了降压转换器的简化原理示意图。该转换器获取正电压输入,然后输出幅度更低的正电压。图2显示了一个反相降压-升压转换器,它获取正电压输出,然后输出幅度更小或更大的负电压。如图3所示,可以按照以下步骤,将降压拓扑转换为反相降压-升压拓扑:
► 将降压转换器的正电压输出转换为系统地
► 将降压转换器的系统地转换为负电压输出节点
► 在降压转换器的VIN和正电压输出之间施加输入电压
图4显示了将降压IC转换为反相降压-升压配置的简化原理图。
图1.降压转换器。
图2.反相降压-升压转换器。
图3.将降压转换器转换为反相降压-升压配置。
图4.反相降压-升压拓扑中使用的降压IC。
转换降压IC的工作原理
拉电流
图5显示反相降压-升压转换器的波形,以及提供拉电流时的电流路径。图5a显示控制MOSFET导通时转换器中的电流流动。图5c显示控制MOSFET中的电流流动,其平均值为输入电流。在这段时间内,电感开始储存电能,使电流升高,输出电容为负载供电。在此期间,电感电压等于输入电压。
当control MOSFET关断后,sync MOSFET导通,图5b显示sync MOSFET中的电流流动。输出电流是sync MOSFET的平均电流,电感电压等于输出电压。当电感开始为负载和电容器供电时,其电流开始下降。每个开关周期都如此重复。
转换器反馈控制脉宽调制(PWM),将输出电压调节至分压电阻设置的所需电平。公式1显示了输出电压与输入电压之间的关系。
其中
► VOUT =输出电压
► VIN =输入电压
► D =占空比
► η = 系统效率
占空比大于50%时,输出电压大于输入电压,占空比小于50%时,输出电压小于输入电压。
灌电流
转换器开始获取灌电流时,电流从输出流向输入,如图6a和6b所示。图6c和6d分别显示了电流流经控制MOSFET和sync MOSFET的过程。由于转换器正在获取灌电流,所以负电流会流经MOSFET。测试结果部分显示了获取灌电流期间的负电感电流。
测试结果
图7显示用于测试设计的拉灌电流和灌拉电流能力的实际设置。图8显示了该设置的框图。双向直流电源用作VPOS的电源,处于CV模式。另一个直流电源连接至VNEG的输出。此直流电源控制流入系统的电流量。阻塞二极管与该直流电源串联,确保转换器提供拉电流时不会有电流流入转换器。电子负载用作初始负载,以表明系统能够从提供拉电流转换为获取灌电流,反之亦然。
图5.(a)导通期间的电流流动,(b)关断期间的电流流动,(c)流经顶部/控制MOSFET的电流,(d)流经底部/sync MOSFET的电流,(e)电感电压。
图6.(a)导通期间的电流流动,(b)关断期间的电流流动,(c)流经顶部/控制MOSFET的电流,(d)流经底部/sync MOSFET的电流。
图7.用于进行拉灌电流测试的电路板设置。
图8.该测试板电路设置的框图。
捕捉到的波形如图9所示。直流电源开启后,VNEG电压轨开始获取灌电流。从电感电流波形可以看出,它从正电流转为负电流。在VNEG获取灌电流时,系统在此条件下保持开环,拉灌电流由外部直流电源的CC模式控制。图10所示的VPOS也是如此。连接至其输出的直流电电源开启后,VPOS电压轨开始获取灌电流。
图9.VNEG拉电流向灌电流转变(+1 A至–20 A)。
图10.VPOS拉电流向灌电流转变(+1 A至–20 A)。
捕捉到的波形如图11所示,展示了系统从拉电流向灌电流转变的行为。从电感电流可以看出,它从负电流转为正电流。这表明停止向VNEG施加DC电压之后,电流重新转变为拉电流。图12所示的VPOS电源轨也是如此。
图11.VNEG灌电流向拉电流转变(-20 A至+1 A)。
图12.VPOS灌电流向拉电流转变(-20 A至+1 A)。
结论
双输出电压轨能够进行VPOS和VNEG双向供电,所以减少了所需的设备数量。因为灌入一个电源轨的电流可用于为另一个电源轨供电,使得主电源拉取的电流减少,所以其效率更高。该设计还有另一个优势,即在设计双向反相降压-升压转换器时,可供选择的IC会更多。
参考资料
Matthew Kessler。“AN-1083(版本A):利用开关稳压器ADP2300和ADP2301设计反相降压-升压转换器。”(ADI公司,2010年)
Ricky Yang。“AN-1168(版本0):采用ADP2384/ADP2386同步降压DC-DC稳压器设计反相电源。”(ADI公司,2012年)
关于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司,致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁,以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案,推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展,应对气候变化挑战,并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元,全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户,ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息,请访问www.analog.com/cn。
关于作者
Jhun Rennel Sanchez于2020年11月加入ADI公司。2018年,他毕业于布拉卡国立大学,获电子工程学士学位。此外,2020年获得马普阿大学电力电子学位。
Anthony Serquiña是ADI菲律宾公司的高级应用开发工程师。他毕业于菲律宾碧瑶市圣路易斯大学,获电子和通信工程学士学位。他在电力电子领域拥有超过14年的经验,包括电源管理IC开发以及AC-DC和DC-DC前端电源转换。他于2018年11月加入ADI公司,目前负责支持工业应用的电源管理需求。他曾在ADI信号链电源(SCP)硬件和软件平台的开发中发挥了重要作用。