作者：Jhun Rennel Sanchez，產品應用工程師和Anthony Serqui?a，高級應用開發工程師
(資料圖片僅供參考)
本文詳細介紹一種創建雙輸出電壓軌的方法，該方法能為設備電源(DPS)提供正負電壓軌，并且只需要一個雙向電源。傳統的設備電源供電方法使用兩個雙向（拉電流和灌電流能力）電源，一個為正電壓軌供電，一個為負電壓軌供電。這種配置不但笨重，且成本高昂。
簡介DPS一般與自動測試設備(ATE)和其他測量設備搭配使用。ATE是一種電腦控制機械設備，自動驅動傳統的手動電子測試設備來評估功能、質量、性能和應力測試。這些ATE需要配套的DPS提供四象限電源運行能力。DPS是一種四象限電源，可以提供正電壓或負電壓，同時具備拉電流和灌電流能力。要使用DPS為更大電流的應用供電，需要將多個DPS設備組合在一起，以提高解決方案的電流容量。DPS可以提供拉電流和獲取灌電流，所以DPS的電源必須具備同樣的功能。采用雙輸出電壓軌設計旨在將所需的雙向電源的數量減少至一個，同時仍然為DPS提供正負雙向電源。構建雙向正電源非常簡單，可以使用市面上提供拉電流和灌電流的多種IC實現。問題在于根據受測設備(DUT)的要求，負電源也需要具有拉電流和灌電流能力。一種解決方案是使用雙向降壓IC，該IC可以配置用作反相降壓-升壓轉換器。例如LTC3871，這是一個雙向降壓或升壓控制器，可用于正電壓軌和負電壓軌。
使用降壓IC設計反相降壓-升壓轉換器圖1顯示了降壓轉換器的簡化原理示意圖。該轉換器獲取正電壓輸入，然后輸出幅度更低的正電壓。圖2顯示了一個反相降壓-升壓轉換器，它獲取正電壓輸出，然后輸出幅度更小或更大的負電壓。如圖3所示，可以按照以下步驟，將降壓拓撲轉換為反相降壓-升壓拓撲：
?將降壓轉換器的正電壓輸出轉換為系統地
?將降壓轉換器的系統地轉換為負電壓輸出節點
?在降壓轉換器的VIN和正電壓輸出之間施加輸入電壓
圖4顯示了將降壓IC轉換為反相降壓-升壓配置的簡化原理圖。
圖1.降壓轉換器。
圖2.反相降壓-升壓轉換器。
圖3.將降壓轉換器轉換為反相降壓-升壓配置。
圖4.反相降壓-升壓拓撲中使用的降壓IC。
轉換降壓IC的工作原理拉電流圖5顯示反相降壓-升壓轉換器的波形，以及提供拉電流時的電流路徑。圖5a顯示控制MOSFET導通時轉換器中的電流流動。圖5c顯示控制MOSFET中的電流流動，其平均值為輸入電流。在這段時間內，電感開始儲存電能，使電流升高，輸出電容為負載供電。在此期間，電感電壓等于輸入電壓。
當control MOSFET關斷后，sync MOSFET導通，圖5b顯示sync MOSFET中的電流流動。輸出電流是sync MOSFET的平均電流，電感電壓等于輸出電壓。當電感開始為負載和電容器供電時，其電流開始下降。每個開關周期都如此重復。
轉換器反饋控制脈寬調制(PWM)，將輸出電壓調節至分壓電阻設置的所需電平。公式1顯示了輸出電壓與輸入電壓之間的關系。
其中
?VOUT=輸出電壓
?VIN=輸入電壓
?D =占空比
?η = 系統效率
占空比大于50%時，輸出電壓大于輸入電壓，占空比小于50%時，輸出電壓小于輸入電壓。
灌電流轉換器開始獲取灌電流時，電流從輸出流向輸入，如圖6a和6b所示。圖6c和6d分別顯示了電流流經控制MOSFET和sync MOSFET的過程。由于轉換器正在獲取灌電流，所以負電流會流經MOSFET。測試結果部分顯示了獲取灌電流期間的負電感電流。
測試結果圖7顯示用于測試設計的拉灌電流和灌拉電流能力的實際設置。圖8顯示了該設置的框圖。雙向直流電源用作VPOS的電源，處于CV模式。另一個直流電源連接至VNEG的輸出。此直流電源控制流入系統的電流量。阻塞二極管與該直流電源串聯，確保轉換器提供拉電流時不會有電流流入轉換器。電子負載用作初始負載，以表明系統能夠從提供拉電流轉換為獲取灌電流，反之亦然。
圖5.(a)導通期間的電流流動，(b)關斷期間的電流流動，(c)流經頂部/控制MOSFET的電流，(d)流經底部/sync MOSFET的電流，(e)電感電壓。
圖6.(a)導通期間的電流流動，(b)關斷期間的電流流動，(c)流經頂部/控制MOSFET的電流，(d)流經底部/sync MOSFET的電流。
圖7.用于進行拉灌電流測試的電路板設置。
圖8.該測試板電路設置的框圖。
捕捉到的波形如圖9所示。直流電源開啟后，VNEG電壓軌開始獲取灌電流。從電感電流波形可以看出，它從正電流轉為負電流。在VNEG獲取灌電流時，系統在此條件下保持開環，拉灌電流由外部直流電源的CC模式控制。圖10所示的VPOS也是如此。連接至其輸出的直流電電源開啟后，VPOS電壓軌開始獲取灌電流。
圖9.VNEG拉電流向灌電流轉變（+1 A至–20 A）。
圖10.VPOS拉電流向灌電流轉變（+1 A至–20 A）。
捕捉到的波形如圖11所示，展示了系統從拉電流向灌電流轉變的行為。從電感電流可以看出，它從負電流轉為正電流。這表明停止向VNEG施加DC電壓之后，電流重新轉變為拉電流。圖12所示的VPOS電源軌也是如此。
圖11.VNEG灌電流向拉電流轉變（-20 A至+1 A）。
圖12.VPOS灌電流向拉電流轉變（-20 A至+1 A）。
結論雙輸出電壓軌能夠進行VPOS和VNEG雙向供電，所以減少了所需的設備數量。因為灌入一個電源軌的電流可用于為另一個電源軌供電，使得主電源拉取的電流減少，所以其效率更高。該設計還有另一個優勢，即在設計雙向反相降壓-升壓轉換器時，可供選擇的IC會更多。
參考資料Matthew Kessler。“AN-1083（版本A）：利用開關穩壓器ADP2300和ADP2301設計反相降壓-升壓轉換器。”（ADI公司，2010年）
Ricky Yang。“AN-1168（版本0）：采用ADP2384/ADP2386同步降壓DC-DC穩壓器設計反相電源。”（ADI公司，2012年）
關于ADI公司Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關于作者Jhun Rennel Sanchez于2020年11月加入ADI公司。2018年，他畢業于布拉卡國立大學，獲電子工程學士學位。此外，2020年獲得馬普阿大學電力電子學位。
Anthony Serqui?a是ADI菲律賓公司的高級應用開發工程師。他畢業于菲律賓碧瑤市圣路易斯大學，獲電子和通信工程學士學位。他在電力電子領域擁有超過14年的經驗，包括電源管理IC開發以及AC-DC和DC-DC前端電源轉換。他于2018年11月加入ADI公司，目前負責支持工業應用的電源管理需求。他曾在ADI信號鏈電源(SCP)硬件和軟件平臺的開發中發揮了重要作用。
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