電路描述和電驅動係統功能

 

圖1顯示將負電壓高效轉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撲。電驅動係統包括開關MOSFET、底部Q1
、頂部Q2、電感L1和輸入/輸出濾波器。同步高效升壓控製器IC通過改變電驅動係統中開關MOSFET的狀態來調節輸出電壓。為了描述這種電路，將係統接地(SYS_GND)用作極性參考
，得到一個相對於SYS_GND為負的輸入供電軌(–V_IN)和一個相對於SYS_GND為正的輸出供電軌(+V_OUT)。

 

轉換器的工作方式如下。如果晶體管Q1開啟，電流從SYS_GND流向負供電軌。晶體管Q2關閉，電感L1將電能存儲在其磁場中。在開關周期的剩餘時間裏
，Q1關閉，Q2開啟
，電流開始從SYS_GND流向+V_OUT供電軌，將L1電能釋放給負載。

 

圖1.負正轉換器電氣原理圖，V_IN為–6 V至–18 V（峰值為–24 V），6 A時V_OUT為+12 V。

 

電驅動係統組件選擇的基本表達

 

圖2所示的開關行為拓撲關係圖描述了負正轉換器的行為。在開關周期的首個區間，在占空比定義的時長內，底部開關B_SW短路
，頂部開關T_SW斷開。電感電壓L等於–V_IN。在此區間內，電感L中的電流增加
，在電感兩端生成電壓極性匹配–V_IN。與此同時，輸出濾波器電容放電，為係統負載提供電流。

 

圖2.負到正轉換器拓撲關係圖。

 

在周期的第二個區間，兩個開關切換，B_SW斷開，T_SW短路。電感L的極性改變，電感開始向負載和輸出濾波電容器C_OUT提供（在周期的第一個區間內儲存的）電流。在這段周期內，電感的電流相應降低。電感的伏秒平衡定義轉換器在連續導通模式下的占空比D。

 

計算時序和組件應力

 

以下是描述時序和電驅動係統組件應力的公式。

 

占空比決定開關的開/關時間

 

 

輸入電流IOUT的平均值就是輸入電流

 

 

電感電流的峰值

 

 

開關MOSFET上的電壓應力

 

 

通過底部MOSFET的平均電流

 

 

通過頂部MOSFET的平均電流

 

 

這些表達公式可以幫助您理解拓撲的功能
，並初步選擇電驅動係統組件。關於最終選擇和詳細的設計

，請使用LTspice®建模和模擬工具。¹

 

轉換器控製描述和功能

 

輸出電壓檢測和控製電壓的電平轉換通過由PNP晶體管Q3和Q4形成的電流鏡管控。反饋電流I_FB在此電路中為1 mA）決定反饋回路中的電阻值。

 

 

其中V_C為誤差放大器的基準電壓。

 

 

其中R_FB(T)為輸出電壓檢測電阻。

 

圖1所(suo)示(shi)的(de)反(fan)饋(kui)電(dian)路(lu)是(shi)一(yi)種(zhong)低(di)成(cheng)本(ben)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，但(dan)分(fen)立(li)式(shi)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)容(rong)差(cha)可(ke)能(neng)會(hui)受(shou)基(ji)極(ji)發(fa)射(she)極(ji)電(dian)壓(ya)和(he)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)差(cha)值(zhi)影(ying)響(xiang)。為(wei)了(le)提(ti)高(gao)精(jing)度(du)，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)配(pei)對(dui)的(de)晶(jing)體(ti)管(guan)。

 

轉換器電驅動係統由LTC7804升壓控製器管控。之所以選擇該芯片，是因為它支持同步整流，易於實現，可以提供高開關頻率操作（如果需要小尺寸電感）和低靜態電流，因而具有高效率。

 

測試結果和拓撲限製

 

此解決方案經過了仔細測試和驗證。圖3顯示在各種負載電流下都能保持高效率，達到96%。注意
，隨著輸入電壓絕對值減小，輸入電流和電感電流增大。在某個點
，電感電流可能會超過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範圍內，最大負載電流為6 A
，輸入電壓絕對值低於–9 V時，該值更小。圖6解決方案電路板的熱性能見圖5。

 

圖3.在自然對流冷卻情況下，V_IN為–12 V和–18 V時的效率曲線。

 

圖4.輸入電壓絕對值低於–9 V時的輸出電流降額曲線。

 

圖5.在自然對流冷卻、沒有空氣流動的情況下，V_IN為–12 V，V_OUT為+12 V
，電流為6 A時，轉換器的熱圖像。

 

圖6.轉換器照片。

 

結論

 

本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)一(yi)種(zhong)非(fei)常(chang)高(gao)效(xiao)且(qie)相(xiang)對(dui)簡(jian)單(dan)的(de)完(wan)整(zheng)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)設(she)計(ji)，通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)升(sheng)壓(ya)控(kong)製(zhi)器(qi)可(ke)以(yi)為(wei)單(dan)極(ji)性(xing)負(fu)電(dian)源(yuan)添(tian)加(jia)正(zheng)電(dian)軌(gui)。文(wen)中(zhong)提(ti)供(gong)了(le)電(dian)氣(qi)原(yuan)理(li)圖(tu)，以(yi)及(ji)時(shi)序(xu)、gonglvzhuanhuanzujianhedianqiyinglifangmiandejisuan。ceshishujuzhengshigaixitongjubeigaoxiaolvhechusederexingneng。ciwai
，cijiejuefangancaiyongshengyatuopu，yinershejirenyuankeyixuanzeshiyongyurenzhengdeshengyakongzhiqi，congerjieshengkaifashijianhechengben。erzhengshishengyakongzhiqishiyongyufuzhengdianyazhuanhuanqiyeyushizhetashiheweilaideshengyayingyong。

 

 

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