摘要

　　本文詳細介紹一種創(chuàng)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(tǒng)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(qū)動傳統(tǒng)的手動電子測試設備來評估功能、質(zhì)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(shù)量減少至一個,，同時仍然為DPS提供正負雙向電源。構(gòu)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(xiàn),。問題在于根據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器

　　圖1顯示了降壓轉(zhuǎn)換器的簡化原理示意圖,。該轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為反相降壓-升壓拓撲：

　　▲將降壓轉(zhuǎn)換器的正電壓輸出轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)地

　　▲將降壓轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)地轉(zhuǎn)換為負電壓輸出節(jié)點

　　▲在降壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為反相降壓-升壓配置的簡化原理圖,。

　　圖1.降壓轉(zhuǎn)換器,。

　　圖2.反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

　　圖3.將降壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換降壓IC的工作原理

　　拉電流

　　圖5顯示反相降壓-升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi),，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(guān)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(guān)周期都如此重復,。

　　轉(zhuǎn)換器反饋控制脈寬調(diào)制（PWM），將輸出電壓調(diào)節(jié)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(guān)系,。

　　其中

　　▲VOUT =輸出電壓

　　▲VIN =輸入電壓

　　▲D =占空比

　　▲η = 系統(tǒng)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(zhuǎn)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(jīng)控制MOSFET和sync MOSFET的過程,。由于轉(zhuǎn)換器正在獲取灌電流,，所以負電流會流經(jīng)MOSFET。測試結(jié)果部分顯示了獲取灌電流期間的負電感電流,。

　　測試結(jié)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(tǒng)的電流量,。阻塞二極管與該直流電源串聯(lián),，確保轉(zhuǎn)換器提供拉電流時不會有電流流入轉(zhuǎn)換器。電子負載用作初始負載,，以表明系統(tǒng)能夠從提供拉電流轉(zhuǎn)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(guān)斷期間的電流流動,，（c）流經(jīng)頂部/控制MOSFET的電流，（d）流經(jīng)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(guān)斷期間的電流流動，（c）流經(jīng)頂部/控制MOSFET的電流,，（d）流經(jīng)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(zhuǎn)為負電流。在VNEG獲取灌電流時,，系統(tǒng)在此條件下保持開環(huán),，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(zhuǎn)變（+1 A至–20 A）,。

　　圖10.VPOS拉電流向灌電流轉(zhuǎn)變（+1 A至–20 A）,。

　　捕捉到的波形如圖11所示，展示了系統(tǒng)從拉電流向灌電流轉(zhuǎn)變的行為,。從電感電流可以看出,，它從負電流轉(zhuǎn)為正電流。這表明停止向VNEG施加DC電壓之后,，電流重新轉(zhuǎn)變?yōu)槔娏?。圖12所示的VPOS電源軌也是如此。

　　圖11.VNEG灌電流向拉電流轉(zhuǎn)變（-20 A至+1 A）,。

　　圖12.VPOS灌電流向拉電流轉(zhuǎn)變（-20 A至+1 A）。

　　結(jié)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(shù)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(yōu)勢，即在設計雙向反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時,，可供選擇的IC會更多,。

　　參考資料

　　Matthew Kessler?！癆N-1083（版本A）：利用開關(guān)穩(wěn)壓器ADP2300和ADP2301設計反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,。”（ADI公司，2010年）

　　Ricky Yang,?！癆N-1168（版本0）：采用ADP2384/ADP2386同步降壓DC-DC穩(wěn)壓器設計反相電源?！保ˋDI公司,，2012年）

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