突破传统电源限制：双输出电压轨设计与反相降压-升压转换器的全面解析

发布时间：2024-12-18 14:40:23

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

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本文详细介绍了一种生成双输出电压轨的方法，该方法为设备电源（DPS）提供正轨和负轨，同时只需要一个双向电源。为设备电源供电的传统方法使用两个双向（拉电流和灌电流能力）电源，一个用于正电源轨，一个用于负电源轨。这种设置体积庞大且成本高昂。

DPS 与自动测试设备（ATE）和其他测量设备一起使用。ATE 是计算机化的机器，可自动化传统的手动电子测试设备，以评估功能、质量、性能和压力测试。

这些 ATE 的 DPS 需要四象限操作。DPS 是一种四象限电源，可以在具有正或负电压时提供和吸收电流。为了将 DPS 用于更高电流的应用，该解决方案将多个 DPS 器件联合起来，以提高其电流能力。由于 DPS 既可以吸收电流，也可以拉电流，因此 DPS 的电源必须具有相同的功能。开发双输出电压轨是为了将所需的双向电源数量减少到一个，同时仍为 DPS 提供正负双向电源。制作双向正电源很简单，因为有许多可用的集成电路（IC）可以拉电流和吸收电流。问题在于，负电源也需要按照被测器件（DUT）的要求提供和吸收电流。一种解决方案是使用具有双向能力的降压 IC，该 IC 可以配置为反相降压-升压转换器。一个例子是 LTC3871，它可以用于正轨和负轨，因为它是一个双向降压或升压控制器。

使用降压 IC 设计反相降压-升压转换器

图 1.

一个降压转换器。

图 1 显示了降压转换器的简化原理图。它采用正输入并输出具有较低幅度的正输出。图 2 显示了一个反相降压-升压转换器，它采用正输入并输出更低或更高的负幅度。如图 3 所示，通过执行以下操作，可以将降压拓扑转换为反相降压-升压拓扑：

• 将降压转换器的正输出转换为系统接地

• 将 Buck 转换器的系统接地转换为负输出节点

• 在 V 之间施加输入电压在和降压转换器的正输出

图 2.

一个反相降压-升压转换器。

图 3.

将 buck 转换器转换为反相 buck-boost 配置。

图 4 显示了如何将降压 IC 转换为反相降压-升压配置的简化原理图。

图 4.

用于反相降压-升压拓扑的降压 IC。

转换后的降压 IC 的工作原理

源电流

图 5 显示了反相降压-升压转换器的波形和源出电流时的电流。图 5a 显示了当控制 MOSFET 导通时流经转换器的电流。图 5c 显示了流经控制 MOSFET 的电流，其平均值是输入电流。在此期间，电感器开始存储能量，在输出电容器为负载供电时增加电流。电感电压等于此周期内的输入电压。

当控制 MOSFET 关闭时，同步 MOSFET 打开，图 5b 显示了流过它的电流。输出电流是同步 MOSFET 的平均电流，电感电压等于输出电压。当电感器为负载和电容器供电时，其电流开始下降。这将重复每个切换周期。

图 5.

（a）导通时间内的电流，（b）关断期间的电流，（c）通过顶部/控制 MOSFET 的电流（I点击率）、
（d）通过 bot/sync MOSFET 的电流（I同步）和（e）电感电压。

转换器的反馈控制脉宽调制（PWM），将输出电压调节到所需的水平，该水平由分压器电阻器设置。公式 1 显示了输出电压和输入电压之间的关系。

VOUT– 输出电压，

VIN – 输入电压，

D – 占空比，

η – 系统效率。

当占空比大于 50% 时，输出电压大于输入电压，当占空比小于 50% 时，输出电压小于输入电压。

吸收电流

当转换器开始吸收电流时，电流从输出流向输入，如图 6a 和 6b 所示。流经控制和同步 MOSFET 的电流分别如图 6c 和 6d 所示。由于转换器正在吸收电流，因此会看到负电流流过 MOSFET。Test Result 部分显示了灌电流期间的负电感电流。

图 6.

（a）导通时间内的电流，（b）关断期间的电流，（c）流经顶部/控制 MOSFET 的电流（I点击率）
和（d）流经 bot/sync MOSFET 的电流（I同步).

测试结果

图 7.

用于 source-sink 测试的电路板设置。

图 7 显示了测试设计的 source-sink 和 sink-source 能力的实际测试设置。图 8 显示了设置的框图。双向直流电源充当 V 的电源POS机并处于 CV 模式。另一个直流电源连接到 V 的输出负离子.此 DC 电源控制沉入系统的电流量。阻断二极管与该直流电源串联，以确保在转换器提供电流时不会有电流流入它。e-load 用作初始负载，以表明系统能够从 source 过渡到 sinking，反之亦然。

图 8.

设置的框图。

图 9.

A V负离子拉电流到灌电流转换（+1 A 至 –20 A）。

捕获的波形如图 9 所示。当直流电源接通时，V负离子导轨开始吸收电流。从电感电流波形中可以看出，它从正电流转换为负电流。当 V负离子是灌电流，则系统在这种情况下处于开环状态，源-灌电流由外部直流源的 CC 模式控制。V 也是如此POS机在图 10 中。当连接到其输出的直流电源打开时， VPOS机导轨开始吸收电流。