突破約束：基于簡單降壓控制器的精密雙極性電源設計

工業(yè)、汽車、IT和網(wǎng)絡公司是電力電子、半導體、器件和系統(tǒng)的主要購買者與消費者。這些公司使用各種可用的DC-DC轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構，采用不同形式的降壓、升壓和SEPIC結(jié)構。理想情況下，這些公司會針對每個新項目使用專門的控制器。

然而，采用新芯片需要大量投資，因為必須花費很多時間和成本來測試新器件是否符合汽車標準，以及驗證其在特定應用、條件和設備中的功能。顯然，為了降低開發(fā)和設計成本，不同應用應采用已經(jīng)過批準和驗證的控制器。

用于生成電源的最常用拓撲結(jié)構是降壓轉(zhuǎn)換器。但是，這種拓撲結(jié)構僅限于從高于輸出的輸入電壓產(chǎn)生正輸出。當輸入電壓低于輸出電壓時，不能直接利用它來產(chǎn)生負電壓或提供穩(wěn)定的輸出。產(chǎn)生輸出的這兩個方面在汽車電子中均很重要，因為需要負電壓來為放大器供電，或者當輸入電壓軌顯著降低時，在冷起動的情況下整個系統(tǒng)必須連續(xù)正常工作。今天我們詳細介紹在SEPIC、Cuk和升壓轉(zhuǎn)換器中使用簡單降壓控制器的方法。

從公共輸入軌產(chǎn)生負電壓和正電壓

圖1顯示了基于單個降壓控制器（具有兩路輸出）的雙極性電源設計。

圖1. LTC3892的電氣原理圖，可產(chǎn)生正負電壓。VOUT1為10 A、3.3 V，VOUT2為3 A、-12 V。

為了最大限度地利用該芯片，必須使用一路輸出來產(chǎn)生正電壓，使用第二路輸出來產(chǎn)生負電壓。此電路的輸入電壓范圍為6 V至40 V。VOUT1產(chǎn)生10 A、3.3 V的正電壓，VOUT2產(chǎn)生3 A、-12 V的負電壓。兩路輸出均由U1控制。第一路輸出VOUT1是簡單的降壓轉(zhuǎn)換器。第二路輸出的結(jié)構更復雜一些。VOUT2相對于GND為負，故使用差分放大器U2來檢測負電壓并將其調(diào)整為0.8 V基準電壓。在這種方法中，U1和U2均以系統(tǒng)GND為基準，這大大簡化了電源的控制和功能。如果需要其他輸出電壓，以下表達式有助于計算RF2和RF3的電阻值。

VOUT2電源系采用Cuk拓撲結(jié)構，相關技術文獻中對此有廣泛介紹。為了解電源系元件上的電壓，需要使用以下基本公式。

VOUT2效率曲線如圖2所示。在本例中，LTC3892 轉(zhuǎn)換器的輸入為10 V至20 V。輸出電壓為10 A、 +5 V和5 A、-5 V。

圖2. 14 V輸入電壓時負輸出的效率曲線。

從波動輸入軌產(chǎn)生穩(wěn)定電壓

圖3所示轉(zhuǎn)換器的電氣原理圖支持兩路輸出：VOUT1為10A、3.3 V，VOUT2為3 A、12 V。輸入電壓范圍為6 V至40 V。

圖3. SEPIC結(jié)構的LTC3892在降壓應用中的電氣原理圖。

VOUT1以類似方式創(chuàng)建，如圖1所示。第二路輸出是SEPIC轉(zhuǎn)換器。與上面的Cuk一樣，該SEPIC轉(zhuǎn)換器基于非耦合的雙分立電感解決方案。分立扼流圈的使用顯著擴大了可用磁性材料的范圍，這對于成本敏感型器件非常重要。

圖4和圖5顯示了該轉(zhuǎn)換器在電壓下降和達到尖峰時（例如在冷起動或電源切斷時）的功能。軌電壓VIN圍繞相對標稱值12 V下降或上升。但是，VOUT1和VOUT2均處于穩(wěn)壓狀態(tài)，為關鍵負載提供穩(wěn)定的電源。雙電感SEPIC轉(zhuǎn)換器可以輕松重新連接成單電感升壓轉(zhuǎn)換器。

圖4. 軌電壓從14 V降至7 V，VOUT1和VOUT2均處于穩(wěn)壓狀態(tài)。

圖5. 軌電壓從14 V升至24 V，但VOUT1和VOUT2均處于穩(wěn)壓狀態(tài)。

結(jié)論

上文介紹了基于降壓控制器構建雙極性和雙輸出電源的方法。這種方法支持在降壓、升壓、SEPIC和Cuk拓撲中使用相同的控制器，這對于汽車和工業(yè)電子供應商來說非常重要，因為一旦經(jīng)過核準，他們便可基于同一控制器設計出提供各種輸出電壓的電源。