为单极负极添加有效的正导轨

文章作者:维克多·哈西耶夫

有时您需要正电源，最可用的轨道（或仅可用导轨）是负的。事实上，在汽车电子中使用负极电压转换，以及用于各种音频放大器和工业和测试设备的偏置电路。

尽管在许多这些系统中，电源是通过相对于地轨的负向分布的，但逻辑板、adc、dac、传感器和类似的设备仍然需要一个或多个正轨。本文介绍了一种简单、低分量、高效的电路，用于从负轨产生正电压。

电路描述和动力传动系功能

图1显示了用于有效转换负电压的完整解决方案。该特定解决方案使用升压拓扑。动力传动系包括切换MOSFET，底部Q1，顶Q2，电感器L1和输入/输出滤波器。同步高效升压控制器IC通过改变电源系中的开关MOSFET的状态来调节输出电压。出于描述该电路的目的，系统接地（SYS_GND）用作关于极性的参考，具有负相相对于SYS_GND输入导轨（-V_在)，以及相对于sys_gnd输出轨的正(+V_出)．

转换器的工作原理如下。如果晶体管Q1是开的，那么电流从SYS_GND流向负轨。晶体管Q2关闭，电感L1在其磁场中储存能量。为完成开关周期，Q1关闭，Q2接通。电流开始从SYS_GND流向+V_出轨道，将L1能量放电到负载。

动力总成部件选择的基本表达式

图2中开关行为的拓扑图说明了从负到正的转换器行为。对于开关周期的第一个间隔，在占空比定义的时间长度内，底部开关B_sw，短路，顶部开关T_sw,是开放的。电感两端的电压L等于-V_在．在此期间，电感L中的电流增加，产生匹配-V的电压极性_在在电感器。同时，输出滤波电容放电，向系统负载供电。

循环的第二间隔翻转两个开关-b_sw是开放的，t_sw是做空。电感L的极性改变，电感开始向负载和C发送电流(存储在周期的第一个间隔内)_出，输出滤波电容。电感器看到在循环的这一部分上的电流相应的降低。电感器的伏特 - 第二平衡在连续导通模式下限定转换器的占空比D。

计算时间和组件应力

以下是描述动力传动系元件的时序和应力的公式。

占空比确定交换机的开/关时间

输入电流的平均值，i_出，输入电流

电感电流的峰值

开关MOSFET上的电压应力

通过底部MOSFET的平均电流

通过顶部MOSFET的平均电流

这些表达式对于总体理解拓扑的功能和动力总成部件的初步选择是有用的。对于最终选择和详细设计，请使用LTspice^®建模与仿真。¹

转换器控制描述和功能

感测控制电压的输出电压和电平移位由基于PNP晶体管Q3和Q4的电流镜来管理。反馈当前我_FB.（此电路中的1 mA）确定反馈回路中电阻器的值。

在V_C为误差放大器的参考电压。

在R_{FB (T)}是输出电压检测电阻。

图1所示的反馈电路是一种廉价的解决方案，但离散晶体管的容忍度会受到基极发射极电压和温度变化的影响。为了提高精度，可以使用配对晶体管。

对转换器动力列车的控制留给了LTC7804提高控制器。该芯片的选择是由于它的高效率，通过同步整流，易于实现，高开关频率操作(如果想要一个小的电感尺寸)，低静态电流。

测试结果和拓扑限制

这个解决方案经过了仔细的测试和验证。图3显示，在很宽的负载电流范围内，效率仍然很高——达到96%。注意，当输入电压的绝对值降低时，输入电流和电感电流就会增加。在某一点上，电感电流可以超过电感上的最大电流或饱和电流。图4显示了这种效果的降额曲线。在- 9v ~ - 18v范围内，最大负载电流为6a，低于绝对值在- 9v以下的输入电压。图6解决方案板的热性能如图5所示。

结论

本文介绍了一种完整的解决方案，用于使用升压控制器向单极负电源添加正导轨的非常高效且相对简单的设计。它还提供了用于定时，功率转换组件和电力应力的电气示意图和计算。测试数据确认高效率和良好的热性能。

此外，该解决方案中使用的升压拓扑使设计人员可以选择使用预形化升压控制器，节省开发时间和成本。相反，符合负面变换器的升压控制器可以预先限制未来的增强应用。

- Victor Khasiev是Adi的高级应用工程师