紧凑，易于使用的负输出DC-DC解决方案
文章：安东尼T. Huynh
一种新的高集成设备的品种解决了外部电平移位器电路的不足，以提供负输出DC-DC解决方案。
电子设备主要用于电源的正电压轨;偶尔，还使用一些负电压轨。因此，负（或反相）输出DC-DC转换器解决方案不像其正输出DC-DC对应物那样常见。尽管如此，在工厂自动化，楼宇自动化和通信系统中供电，诸如高速DAC，运算放大器，RF功率放大器，AUE，GaN FET栅极驱动器和IGBT栅极驱动器等通信系统时，需要负电压轨。
设计师面临着寻找负电压解决方案的大挑战，因为大多数传统设备需要外部电平移位电路来通信。它们也过时，低效，复杂，笨重。本文详细讨论了遗留解决方案的缺点，然后调查了一种解决缺陷的新型高集成设备，并提供紧凑，易于使用和高效的负输出DC-DC解决方案。
负输出DC-DC转换器挑战
典型的电力系统具有其最低电压电位作为地面参考或GND。对于正输出DC-DC输出转换器，接地基准仅仅是GND（0-V电位）。其输入/输出信号自然地引用此接地。系统控制器使用I / O引脚直接和直接与DC-DC转换器通信。
图1该简化的系统示意图仅使用正电压轨。来源：Maxim Integrated.
图1示出了系统微控制器（MCU）驱动转换器的en（使能）引脚的系统以打开和关闭。控制器还通过其PGOOD（即，复位）引脚读取转换器的状态，以了解转换器电源输出是否在其调节内，并准备好提升整个系统。为简单起见，这里仅示出了一个DC-DC转换器，但原理也适用于具有多个正电压轨的系统。
当使用负DC-DC时，与系统控制器的通信不是微不足道的。转换器具有其I / O的引脚，引用其最低电压电位，在这种情况下是负输出电压，而不是系统地（GND）。使用负电压轨时，设计人员需要为系统MCU实现电平移位电路，以与DC-DC转换器通信。图2.示出了具有两个电平移位器的系统的简化示意图。
图2.该简化的系统原理图使用负压轨。资料来源：Maxim集成
同样，为简单起见，这里仅示出了一个负输出DC-DC转换器，但原理适用于具有多个负电压轨的系统或具有正极和负压轨的混合。每个负输出DC-DC转换器的I / O引脚需要一个电平移位器。
电平移位电路很大，为设计人员创造了挑战。此外，传统负极DC-DC转换器解决方案复杂且效率低，施加又一个挑战。
挑战1：水平移位器
图3.图示了典型的电平移位器电路。其目的是将信号的接地参考移位以匹配系统MCU的目的。它在此处用于将ON命令从系统MCU转换为ON / OFF DC-DC转换器。该级别移位器由9个组件组成。其操作直截了当：当系统控制器开启时，Q1打开，这反过来偏置Q2并驱动高电平，以使DC-DC转换器能够实现DC-DC转换器。当ON被驱动为低电平时，Q1和Q2都关闭，并且EN被驱动为低电平以禁用转换器。
图3.典型的电平移位器电路从系统控制器转换ON命令。资料来源：Maxim集成
图4.描述了一个公共级别移位器电路变化。它在此处用于从DC-DC转换器转换PGood信号，以便系统微转换器可以读取它。当PGOOD通过DC-DC转换器驱动高（开放式排出）时，Q3又打开，这又偏置Q4并驱动高速重置，将系统MCU重置为复位。
图4.电平移位器从DC-DC转换器转换PGOOD信号。资料来源：Maxim集成
这两个级别移位器需要18个外部组件，对设计人员施加挑战，试图将解决方案拟合进入永久性的设备和船上的空间。
挑战2：效率低下
传统负输出DC-DC解决方案效率低下。由于低效率而产生的额外热量为设计师创造了另一个挑战，他们现在有额外的额外负担从系统中去除热量。图5.是这种系统的简化电路示意图。
图5.这是一种简化的非同步双电感器反相输出DC-DC转换器的示意图。资料来源：Maxim集成
这种拓扑面临两个低效率问题。首先，它采用不同步切换，与同步解决方案相比，输出整流二极管D1散消腾更多功率。其次，它具有额外的功率电感器，L1和额外电容器C1，也耗散了更多的功率。图6.显示该转换器的效率曲线，在12V输入和-15V输出时测量。其峰值效率仅为83％，同时在150 mA输出电流下耗散约460mW。
图6.功率损耗曲线显示了不同步，双电感器反相输出DC-DC转换器的效率。资料来源：Maxim集成
更小，更高效的负输出DC-DC解决方案
这MAX17577.和MAX17578开发了同步反相DC-DC降压转换器，以满足工厂自动化，建筑自动化和通信系统中较小和低发热器件的日益增长的要求。该器件集成了电平移位电路以降低分量成本和计数，并采用同步整流以获得更高的效率。图7.显示其典型的应用电路。
图7.MAX17579和MAX17580是高度集成的高效负极输出DC-DC转换器。资料来源：Maxim集成
这些DC-DC转换器具有宽的输入电压范围。该设备从4.5到60V输入操作，可提供高达300 mA的输出电流。通过集成级别移位器，这些设备通过将组件计数减少一半，在使用比最接近的遗留解决方案的35％更低的时间内，这些设备通过比最近的能量更低的时间缩短，得到了高达72％的电路板空间。
图8.MAX17577在-15V输出时具有88.5％的效率。资料来源：Maxim集成
图8.显示MAX17577的峰值效率为88.5％，在16V输入和-15V / 150-MA输出时测量。与图6所示的遗留解决方案相比，这比效率更高为5.5个百分点。为什么效率很重要？效率为88.5％，该器件仅消散292兆瓦，同时向负载提供2.25 W的电源。与前面所示的460mW的遗留溶液相比，292 MW为系统冷却37％的热量。
图9.显示图2的改进版本，消除了电平移位器。系统MCU可以直接与MAX17579 / MAX17580通信，即使它们具有不同的接地参考。
图9.该图显示了使用负压轨的系统中的MAX17579 / MAX17580。资料来源：Maxim集成
值得注意的是，通过宽的工作电压范围，这些新解决方案可以承受和容忍系统电压波动，如电源浪涌事件，反EMF和电缆电压振铃，从而提高系统可靠性。此外，还有MAX17577和MAX17578，位于同一系列，性能相似，但可以提供高达1 A的输出电流。这些设备非常适合供电RF功率放大器，GaN FET栅极驱动器和IGBT栅极驱动器。
一种新的高度集成设备
在工厂自动化，楼宇自动化和通信系统中为较小的解决方案尺寸和较低发热的需求不断增长，对寻找负电压DC-DC转换器的设计人员来说，大多数遗留解决方案都过时，低效，复杂，庞大的设计挑战。
一种新型高集成设备，具有车载电平移位器，同步整流和宽操作输入电压为表带来了最紧凑，高效，稳健的负输出DC-DC解决方案。
丁字裤“安东尼”huynhMaxim综合的工业和医疗保健业务部门技术人员的主要成员。
本文最初发布edn.。
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