臺(tái)式電源（PS）往往具有偶數(shù)個(gè)端子（忽略機(jī)箱端口），其中有一個(gè)正極端子和一個(gè)負(fù)極端子。使用臺(tái)式電源產(chǎn)生正極性輸出很容易：將負(fù)極輸出設(shè)置為GND，將正極輸出電壓設(shè)置為正極輸出。通過(guò)反轉(zhuǎn)設(shè)置產(chǎn)生負(fù)電源也很容易。但是，如果產(chǎn)生一個(gè)雙極性電源，負(fù)載可以同時(shí)使用正電壓和負(fù)電壓，那又如何呢？

這也相對(duì)容易-只需將一個(gè)實(shí)驗(yàn)室通道的正極端子連接到另一通道的負(fù)極端子，然后將其稱為GND即可。其他兩個(gè)端子，負(fù)號(hào)和正號(hào)分別是正電源和負(fù)電源。結(jié)果是具有可用GND，正電壓和負(fù)電壓電平的三端雙極電源。由于使用了三個(gè)端子，因此必須在電源下游的正電源和負(fù)電源之間進(jìn)行一些切換。

如果應(yīng)用程序要求同一電源端子為正極或負(fù)極（在僅向負(fù)載提供兩個(gè)端子的設(shè)置中），該怎么辦？這不是一個(gè)純粹的學(xué)術(shù)問(wèn)題。在汽車和工業(yè)環(huán)境中，有一些應(yīng)用需要雙極可調(diào)兩端電源。例如，兩個(gè)端子雙極電源用于各種應(yīng)用，從特殊的窗口著色到測(cè)試和測(cè)量設(shè)備。

如前所述，傳統(tǒng)的雙極性PS使用三個(gè)輸出端子（正，負(fù)和GND）產(chǎn)生兩個(gè)輸出。相反，單個(gè)輸出電源應(yīng)僅配備兩個(gè)輸出端子：一個(gè)GND，另一個(gè)可以為正或負(fù)。在此類應(yīng)用中，可通過(guò)單個(gè)控制信號(hào)在從最小負(fù)值到最大正值的整個(gè)范圍內(nèi)相對(duì)于GND調(diào)節(jié)輸出電壓。有些控制器是專門為實(shí)現(xiàn)雙極性電源功能而設(shè)計(jì)的，例如LT8714，即雙極性輸出同步控制器。然而，對(duì)于許多汽車和工業(yè)制造商而言，測(cè)試和鑒定專用IC都需要一些時(shí)間和金錢上的投資。相比之下，許多制造商已經(jīng)對(duì)降壓（buck）轉(zhuǎn)換器和控制器進(jìn)行了資格預(yù)審，因?yàn)樗鼈冇糜跓o(wú)數(shù)的汽車和工業(yè)應(yīng)用。本文說(shuō)明了在無(wú)法使用專用雙極性電源IC的情況下如何使用降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)產(chǎn)生雙極性PS。

電路說(shuō)明和功能

圖1顯示了基于降壓轉(zhuǎn)換器的雙極性（twoquadrant）可調(diào)電源解決方案。輸入電壓范圍為12 V至15 V；輸出是在±10 V范圍內(nèi)的任何電壓，由控制模塊調(diào)節(jié)，可支持高達(dá)6 A的負(fù)載。雙輸出降壓控制器IC是該設(shè)計(jì)的核心組件。每個(gè)降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接的一個(gè)輸出產(chǎn)生穩(wěn)定的–12 V（即，圖1中的–12 V負(fù)軌，其功率鏈包括L2，Q2，Q3和輸出濾波器CO2）。

                                圖1：兩端子，雙極性，可調(diào)電源的電氣原理圖

–12 V電源軌用作第二個(gè)通道的接地，控制器的接地引腳也連接到–12 V電源軌?？傮w而言，這是一個(gè)降壓型降壓轉(zhuǎn)換器，其中輸入電壓為–12 V和V IN之間的差。輸出是可調(diào)的，相對(duì)于GND可以為正或負(fù)。請(qǐng)注意，輸出始終相對(duì)于–12 V電源軌為正，并包括一個(gè)包含L1，Q1，Q4和C O1的動(dòng)力總成。反饋電阻分壓器RB–RA設(shè)置最大輸出電壓。該分壓器的值由輸出電壓控制電路調(diào)節(jié)，該電路可通過(guò)將電流注入RA來(lái)將輸出降低至最小輸出電壓（負(fù)輸出）。通過(guò)RUN和TRACK / SS引腳的終止來(lái)設(shè)置應(yīng)用程序的啟動(dòng)特性。

兩個(gè)輸出均在強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式下工作。在輸出控制電路中，如實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試的那樣，0 μA至200 μA電流源I CTRL連接到負(fù)軌，但也可以參考GND。低通濾波器R F1 –C F減少了快速的輸出瞬變。為了降低轉(zhuǎn)換器的成本和尺寸，使用相對(duì)便宜的極化電容器形成輸出濾波器?？蛇x的二極管D1和D2可防止在這些電容器兩端產(chǎn)生反向電壓，尤其是在啟動(dòng)時(shí)。如果僅使用陶瓷電容器，則無(wú)需二極管。

轉(zhuǎn)換器測(cè)試和評(píng)估

該解決方案基于LTC3892和評(píng)估套件DC1998A和DC2493A進(jìn)行了測(cè)試和評(píng)估。該轉(zhuǎn)換器在許多測(cè)試中均表現(xiàn)良好，包括線路和負(fù)載調(diào)節(jié)，瞬態(tài)響應(yīng)和輸出短路。圖2顯示啟動(dòng)至6 A負(fù)載，輸出為+10V?？刂齐娏骱洼敵鲭妷褐g的函數(shù)線性關(guān)系如圖3所示。隨著控制電流從0 μA增加到200 μA，輸出電壓從+10 V減小到–10V。圖4顯示了效率曲線。

                                             圖2：進(jìn)入電阻負(fù)載的啟動(dòng)波形。

圖3：VOUT作為控制電流ICTRL的函數(shù)。當(dāng)ICTRL從0 A增加到200 μA時(shí)，輸出電壓從+10 V下降至–10V。

開(kāi)發(fā)了雙極性，兩端電源的LTspice?模型以簡(jiǎn)化該方法的采用，從而使設(shè)計(jì)人員能夠分析和仿真上述電路，引入變化，查看波形并研究組件應(yīng)力。

                                         圖4：正輸出和負(fù)輸出的效率曲線。

描述此拓?fù)涞幕竟胶捅磉_(dá)式

此方法基于設(shè)計(jì)的降壓-升壓部分產(chǎn)生的負(fù)電壓軌V NEG。

VNEG=VOUT+VOUT×Km   

其中，V OUT是最大輸出電壓的絕對(duì)值，K m是介于0.1到0.3之間的系數(shù)。K m限制了降壓轉(zhuǎn)換器的最小占空比。V NEG還設(shè)置V IN的最小值：

其中V BUCK是降壓部分的輸入電壓，從而給出了轉(zhuǎn)換器半導(dǎo)體上的最大電壓應(yīng)力：

VBUCK(MAX)=|VNEG|+VOUT    (3)"

當(dāng)電流源I CTRL向R A注入零電流時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓相對(duì)于負(fù)電源軌為最大正值（V BUCK（MAX）），相對(duì)于GND為最大輸出電壓（+ V OUT）。為了對(duì)負(fù)載產(chǎn)生一個(gè)負(fù)輸出電壓（相對(duì)于GND ），通過(guò)將ΔI注入電阻器R A中，相對(duì)于負(fù)輸出電壓（–V OUT），輸出電壓減小至最小值V BUCK（MIN）。降壓器的分壓器。

數(shù)值范例

通過(guò)使用前面的公式，我們可以計(jì)算電壓應(yīng)力，流經(jīng)動(dòng)力總成組件的電流以及雙極電源的控制電路參數(shù)。例如，以下計(jì)算是針對(duì)從14 V輸入電壓在6 A下產(chǎn)生±10 V的電源的。

如果K m為0.2，則V NEG = –12V。最小輸入電壓V IN的驗(yàn)證條件≥| V NEG |。半導(dǎo)體的V BUCK上的電壓應(yīng)力為26V。

相對(duì)于負(fù)軌，降壓部分的最大電壓為V BUCK（MAX） = 22 V，相對(duì)于GND設(shè)置輸出電壓+10V。最小電壓V BUCK（MIN） = 2 V，對(duì)應(yīng)于相對(duì)于GND的–10 V的輸出電壓。這些最大和最小電壓對(duì)應(yīng)于最大和最小占空比，D BUCK（MAX） = 0.846，D BUCK（MIN） = 0.077，D BB = 0.462。

可以通過(guò)假設(shè)效率為90％，產(chǎn)生P OUT（BB） = 66.67 W，I OUT（BB） = 5.56 A，I L（BB） = 10.37 A和P BB = 74.074 W來(lái)計(jì)算功率。

對(duì)于+10 V的輸出電壓（如圖1所示），控制電路電流ΔI為0 μA，而對(duì)于–10 V的輸出電壓，ΔI= 200 μA。

結(jié)論

本文提出了一種雙極性，兩端子電源的設(shè)計(jì)。此處討論的方法基于降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，因此可以采用多種形式使用，從帶有外部組件的簡(jiǎn)單控制器到完整的模塊。采用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使設(shè)計(jì)人員具有靈活性，并可以選擇使用經(jīng)過(guò)預(yù)認(rèn)證的零件，從而節(jié)省了時(shí)間和成本。

關(guān)于作者

Victor Khasiev是ADI的高級(jí)應(yīng)用工程師。Victor在交流至直流和直流至直流轉(zhuǎn)換的電力電子領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。他擁有兩項(xiàng)專利，并撰寫了多篇文章。他的專利涉及高效的功率因數(shù)校正解決方案和先進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)器。Victor很樂(lè)意為ADI客戶提供支持：回答有關(guān)ADI產(chǎn)品，電源原理圖的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證以及印刷電路板布局的問(wèn)題；故障排除; 并參與測(cè)試最終系統(tǒng)。