【導(dǎo)讀】有時(shí)候您需要正電源，但大部分可用的供電軌（或僅有的可用供電軌）提供的都是負(fù)電源。事實(shí)上，負(fù)到正電壓轉(zhuǎn)換已用于汽車電子，以及各種音頻放大器、工業(yè)和測(cè)試設(shè)備的偏置電路中。雖然在許多系統(tǒng)中是電源通過(guò)相對(duì)于地的負(fù)供電軌分配，但這些系統(tǒng)中的邏輯板、ADC、DAC、傳感器和類似器件仍然需要一個(gè)或多個(gè)正供電軌。本文介紹一種簡(jiǎn)單高效且組件數(shù)量少的電路，用于從負(fù)供電軌生成正電壓。
電路描述和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能
圖1顯示將負(fù)電壓高效轉(zhuǎn)化為正電壓的完整解決方案。這種特定的解決方案使用升壓拓?fù)?。電?qū)動(dòng)系統(tǒng)包括開關(guān)MOSFET、底部Q1、頂部Q2、電感L1和輸入/輸出濾波器。同步高效升壓控制器IC通過(guò)改變電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中開關(guān)MOSFET的狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。為了描述這種電路，將系統(tǒng)接地(SYS_GND)用作極性參考，得到一個(gè)相對(duì)于SYS_GND為負(fù)的輸入供電軌(–VIN)和一個(gè)相對(duì)于SYS_GND為正的輸出供電軌(+VOUT)。
轉(zhuǎn)換器的工作方式如下。如果晶體管Q1開啟，電流從SYS_GND流向負(fù)供電軌。晶體管Q2關(guān)閉，電感L1將電能存儲(chǔ)在其磁場(chǎng)中。在開關(guān)周期的剩余時(shí)間里，Q1關(guān)閉，Q2開啟，電流開始從SYS_GND流向+VOUT供電軌，將L1電能釋放給負(fù)載。
圖1.負(fù)正轉(zhuǎn)換器電氣原理圖，VIN為–6 V至–18 V（峰值為–24 V），6 A時(shí)VOUT為+12 V。
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組件選擇的基本表達(dá)
圖2所示的開關(guān)行為拓?fù)潢P(guān)系圖描述了負(fù)正轉(zhuǎn)換器的行為。在開關(guān)周期的首個(gè)區(qū)間，在占空比定義的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，底部開關(guān)BSW短路，頂部開關(guān)TSW斷開。電感電壓L等于–VIN。在此區(qū)間內(nèi)，電感L中的電流增加，在電感兩端生成電壓極性匹配–VIN。與此同時(shí)，輸出濾波器電容放電，為系統(tǒng)負(fù)載提供電流。
圖2.負(fù)到正轉(zhuǎn)換器拓?fù)潢P(guān)系圖。
在周期的第二個(gè)區(qū)間，兩個(gè)開關(guān)切換，BSW斷開，TSW短路。電感L的極性改變，電感開始向負(fù)載和輸出濾波電容器COUT提供（在周期的第一個(gè)區(qū)間內(nèi)儲(chǔ)存的）電流。在這段周期內(nèi)，電感的電流相應(yīng)降低。電感的伏秒平衡定義轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式下的占空比D。
計(jì)算時(shí)序和組件應(yīng)力
以下是描述時(shí)序和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組件應(yīng)力的公式。
占空比決定開關(guān)的開/關(guān)時(shí)間
輸入電流IOUT的平均值就是輸入電流
電感電流的峰值
開關(guān)MOSFET上的電壓應(yīng)力
通過(guò)底部MOSFET的平均電流
通過(guò)頂部MOSFET的平均電流
這些表達(dá)公式可以幫助您理解拓?fù)涞墓δ埽⒊醪竭x擇電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組件。關(guān)于最終選擇和詳細(xì)的設(shè)計(jì)，請(qǐng)使用LTspice®建模和模擬工具。1
轉(zhuǎn)換器控制描述和功能
輸出電壓檢測(cè)和控制電壓的電平轉(zhuǎn)換通過(guò)由PNP晶體管Q3和Q4形成的電流鏡管控。反饋電流IFB在此電路中為1 mA）決定反饋回路中的電阻值。
其中VC為誤差放大器的基準(zhǔn)電壓。
其中RFB(T)為輸出電壓檢測(cè)電阻。
圖1所示的反饋電路是一種低成本解決方案，但分立式晶體管的容差可能會(huì)受基極發(fā)射極電壓和溫度變化差值影響。為了提高精度，可以使用配對(duì)的晶體管。
轉(zhuǎn)換器電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由LTC7804升壓控制器管控。之所以選擇該芯片，是因?yàn)樗С滞秸?，易于?shí)現(xiàn)，可以提供高開關(guān)頻率操作（如果需要小尺寸電感）和低靜態(tài)電流，因而具有高效率。
測(cè)試結(jié)果和拓?fù)湎拗?/div>
此解決方案經(jīng)過(guò)了仔細(xì)測(cè)試和驗(yàn)證。圖3顯示在各種負(fù)載電流下都能保持高效率，達(dá)到96%。注意，隨著輸入電壓絕對(duì)值減小，輸入電流和電感電流增大。在某個(gè)點(diǎn)，電感電流可能會(huì)超過(guò)電感的最大電流或飽和電流。從圖4的降額曲線可以明顯看出。在–9 V到–18 V范圍內(nèi)，最大負(fù)載電流為6 A，輸入電壓絕對(duì)值低于–9 V時(shí)，該值更小。圖6解決方案電路板的熱性能見圖5。
圖3.在自然對(duì)流冷卻情況下，VIN為–12 V和–18 V時(shí)的效率曲線。
圖4.輸入電壓絕對(duì)值低于–9 V時(shí)的輸出電流降額曲線。
圖5.在自然對(duì)流冷卻、沒(méi)有空氣流動(dòng)的情況下，VIN為–12 V，VOUT為+12 V，電流為6 A時(shí)，轉(zhuǎn)換器的熱圖像。
圖6.轉(zhuǎn)換器照片。
結(jié)論
本文介紹一種非常高效且相對(duì)簡(jiǎn)單的完整解決方案設(shè)計(jì)，通過(guò)使用升壓控制器可以為單極性負(fù)電源添加正電軌。文中提供了電氣原理圖，以及時(shí)序、功率轉(zhuǎn)換組件和電氣應(yīng)力方面的計(jì)算。測(cè)試數(shù)據(jù)證實(shí)該系統(tǒng)具備高效率和出色的熱性能。此外，此解決方案采用升壓拓?fù)?，因而設(shè)計(jì)人員可以選擇使用預(yù)認(rèn)證的升壓控制器，從而節(jié)省開發(fā)時(shí)間和成本。而證實(shí)升壓控制器適用于負(fù)正電壓轉(zhuǎn)換器也預(yù)示著它適合未來(lái)的升壓應(yīng)用。
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