在單極負電供電軌加入高效率正電軌

作者: ADI 資深應用工程師Victor Khasiev

介紹

有時候你需要的是正電電源，但大多數可用的供電軌(或唯一的供電軌)卻是負電。事實上，負電轉正電的電壓轉換機制廣泛用於包括車載電子、音響放大器採用的偏壓電路、以及各種工業與測試設備。在這些系統中，供電是透過負電軌 — 相對於接地 ― 來傳遞，但包括邏輯板、ADC、DAC、感測器、以及類似元件還是會需要運用一或多個正電軌。本文將介紹一種低零件數量的簡單、高效率電路，可用來從負電軌產生正電壓。

電路描述與電力輸送功能

圖1顯示一個完整的解決方案，其能以高效率將負電壓轉換為正電壓。這個特殊解決方案採用升壓電路。電力輸送軌包含切換MOSFET、底部Q1、頂部Q2、電感L1、以及輸入/輸出濾波器。同步高效率升壓控制IC負責調節輸入電壓，藉由改變輸電軌中切換MOSFET的狀態進行調節。為方便描述電路，我們可以把系統接地 (SYS_GND) 看成參考極，另外還有一個負極 – 相對於SYS_GND – 輸入軌 (–V_IN)，以及正極 – 相對於SYS_GND—輸出軌(+V_OUT).

轉換器工作方式如下。倘若電晶體Q1導通，電流便會從SYS_GND流到負電軌。然後電晶體Q2關斷，電感L1則把能源儲存在元件內部的磁場。在整個切換週期中，Q1關斷，Q2導通。電流開始從SYS_GND流到+V_OUT 電軌，把L1儲存的能源釋放到負載電路。

Figure 1. Negative-to-positive converter electrical schematic, VIN –6 V to –18 V (–24 V peak); VOUT +12 V at 6 A. — 圖1. 負電轉正電轉換器電路圖， VIN –6 V 至–18 V (–24 V 峰值) ，在6安培下輸出電壓V_IN –6 V to –18 V (–24 V peak) and with V_OUT為+12 V。

圖1. 負電轉正電轉換器電路圖， VIN –6 V 至–18 V (–24 V 峰值) ，在6安培下輸出電壓V_IN –6 V to –18 V (–24 V peak) and with V_OUT為+12 V。

電力輸送元件挑選的基本介紹

圖2顯示的拓撲圖，其中的切換行為描述的是負電轉正電轉換器的工作流程。在切換週期的第一段，涵蓋工作週期定義的時間，底部開關B_SW為短路，頂部開關T_SW為開路。經過電感L的電壓，等同於–V_IN。在這段時間，電感L內的電流會提高，並在電感內產生一個和–V_IN匹配的電壓極性。在此同時，輸出濾波電容開始放電，為系統負載供應電流。

Figure 2. Negative-to-positive converter topological diagrams. — 圖2. 負電轉正電轉換器拓撲圖

週期的第二段則是兩個轉換器進行對換 - B_SW 開路，而T_SW 則變成短路。電感L的極性改變，然後電感開始送出電流(週期的第一段時間所儲存的能源)送至負載以及C_OUT輸出濾波電容。電感在這段週期會出現電流降低。電感的伏特-秒數平衡，則定義了在連續導通模式中轉換器的工作週期D。

計算時序與元件應力

下面公式係描述電力輸送元件的時序與應力

工作週期決定了開關的導通/關斷時間

輸入電流的平均值，I_OUT，為輸入電流

電感電流的峰值

開關MOSFET的電壓應力

經過底部MOSFET的平均電流

經過頂部MOSFET的平均電流

這些描述可協助對於功能與拓撲、以及對電力輸送元件的挑選獲得初步的認知。在細部設計的最後選擇方面，請選擇LTspice^® 建模與模擬方案。¹

轉換器控制描述與功能

控制電壓的輸出電壓與電平轉換，其感測是由電流鏡來管理，電流鏡係由PNP電晶體Q3 與Q4構成。回饋電流 I_FB (此電路為1 mA) 決定了回饋迴路中電晶體的電阻值

這裡的V_C 是誤差放大器的參考電壓

這裡的R_FB(T) 是感測器電阻的輸出電壓

圖1顯示的回饋電路成本低廉，但分立電晶體的公差則會受到基底射極電壓差與溫度變異所影響。若要改善精準度，可採用匹配的成對電晶體。

想要控制轉換器輸電軌，可選用 LTC7804 升壓控制器。挑選此款晶片係因為其同步校正的高效率、同時容易實作、具備高切換頻率工作(若希望作成小電感)，以及低靜電流等特性。

測試結果與拓撲限制

此款解決方案經過精心測試與驗證。圖3顯示在大範圍負載電流下仍維持優異效率 – 達到96%。注意到輸入電壓的絕對值下滑，輸入與電感電流則提高。在某個點上，電感電流會超過最大值，或電感上的飽和電流。圖4顯示這種效應的降額曲線。最大負載電流，在- 9V到-18V範圍內為6安培，低於輸入電壓，絕對值小於- 9V。圖5的溫度效能則是圖6的解決方案機板。

Figure 3. Efficiency curve for VIN –12 V and –18 V, natural convection cooling. — 圖3. 採用自然轉換散熱下，輸入電壓-12 V 與-18 V的效率曲線

Figure 4. Output current derating curve for absolute value input voltages below –9 V. — 圖4. 低於-9V時輸入電壓絕對值的降額曲線

Figure 5. Thermal image of the converter VIN –12 V, VOUT +12 V at 6 A, natural convection cooling, no air flow. — 圖5. 轉換器的熱溫圖，在6安培時 V_IN 輸入電壓為-12 V 而輸出電壓 V_OUT 為12 V，採用自然轉換散熱，沒有散熱氣流

圖5. 轉換器的熱溫圖，在6安培時 V_IN 輸入電壓為-12 V 而輸出電壓 V_OUT 為12 V，採用自然轉換散熱，沒有散熱氣流

總結

本文介紹了一款完整的解決方案，運用升壓控制器在單極負電供電軌中加入一個正電軌，而具備極高效率且設計相對簡易。此外，它還提供電路圖與計算公式，涵蓋時序、電力轉換元件、以及電應力等範疇。測試資料可確定其高效率與優異的溫度效能。此外，此解決方案採用的升壓拓撲讓設計者可選擇採用預驗證的升壓控制器，藉此可節省開發時間與成本。另外，也可針對負電轉正電轉換器著手驗證升壓控制器，以針對未來的升壓應用進行預先驗證。