四象限 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的實現(xiàn)

　　引言

　　在很多電子系統(tǒng)中，有必要為特定類型負載提供雙極性（正和負）電壓或電流。需要雙極性電壓/電流的負載包括FPGA體偏置應(yīng)用、熱電冷卻器、DC電動機以及其他很多類型的應(yīng)用。

　　有很多傳統(tǒng)方法可為負載提供雙極性電壓/電流。H橋式設(shè)計經(jīng)常使用，但是要求負載的兩個端子均不能直接接地。負載的兩個端子均須在正電源軌和地之間擺動，為了濾除這種斬波波形，通常會給負載串聯(lián)一個電感器。負載不能直接接地可能使整個系統(tǒng)的機械及電氣設(shè)計復(fù)雜化。H橋式方法還需要4個開關(guān)組件和更加復(fù)雜的控制方法。有些負載有負端子，這種端子不能施加高偏壓（相對于地），例如：FPGA反向偏壓應(yīng)用。

　　另一種傳統(tǒng)方法是建立兩個電源軌，一個正軌和一個負軌。人們使用各種不同的電路在穩(wěn)壓的正或負軌中“進行掉換”，以實現(xiàn)電壓可低于地的雙極性工作。這導致一種非常復(fù)雜的系統(tǒng)，一般而言效率較低，而且當輸出電壓跨越地電位時，會產(chǎn)生非線性響應(yīng)。

　　本文給出一種新的DC/DC開關(guān)架構(gòu)，該架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的4象限工作，這意味著，輸出電壓可以為正或負，電流也可以在兩個方向上流動。此外，這種新架構(gòu)產(chǎn)生的輸出電壓能夠從一種極性向另一種極性、穿過地電位平滑轉(zhuǎn)換，而且這種轉(zhuǎn)換模式不產(chǎn)生任何非線性問題。

　　四象限D(zhuǎn)C/DC轉(zhuǎn)換器

　　圖1顯示了這種4象限轉(zhuǎn)換器的基本連接和組件。NFET （MN）和PFET （MP）之間在反相以及恒定開關(guān)頻率工作。電流模式控制（圖中未顯示）在需要時用來調(diào)制MN的占空比。

　　圖1：四象限D(zhuǎn)C/DC轉(zhuǎn)換器拓撲

　　如果我們假定，該電路以固定頻率工作，那么MN接通時間的占空比可以計算如下：

　　從這個等式中可以清楚地看出，在VIN電壓為正時，輸出電壓VOUT可以為正（最高為VIN）或負（僅受實際DC因素的限制），也可以為0V.實際上，0V輸出電平并沒什么特殊之處，因為在這個工作點上，該轉(zhuǎn)換器DC的占空比為50%.

　　無論輸出電壓是什么極性，該轉(zhuǎn)換器的輸出都可以吸收或提供電流，從而使這個電路成為真正以4象限工作的拓撲。MN和MP上的最高漏極至源極電壓均為2VIN– VOUT.例如，如果VIN為+12V，VOUT為-12V，那么兩個FET的BVDSS額定值必須都高于36V.

　　四象限拓撲中的LT8710

　　凌力爾特公司不久前推出的控制器LT8710可用于4象限拓撲。圖2顯示了一個配置為這種拓撲的完整電路，該電路已經(jīng)過全面測試。這個電路的輸入電壓典型值為12V，但是允許范圍為11V至13V.輸出在+5V至-5V范圍內(nèi)可調(diào)，輸出電流可達±3A.模擬控制信號VCNTL用來調(diào)節(jié)輸出電壓。LT8710是一款80V控制器，因此可用來構(gòu)成提供更高或更低電壓及電流的其他很多版本之4象限轉(zhuǎn)換器。

　　圖2：用LT8710構(gòu)成的4象限轉(zhuǎn)換器

　　該轉(zhuǎn)換器的4象限工作能力如圖3所示。其中，正弦曲線控制信號用來產(chǎn)生以0V為中心的正弦曲線輸出電壓。電感器電流可為正或負，無論是正是負，都必須讓輸出電壓達到所要求的值。這些工作波形顯示，該轉(zhuǎn)換器可干凈、平滑地穿越地電位工作。使用正弦波控制信號是一種隨意選擇，DC信號、方波信號或其他任何類型的信號都可以使用。

　　圖3：正弦波輸出電壓穿過0V

　　應(yīng)用

　　有很多應(yīng)用可以利用這種4象限D(zhuǎn)C/DC轉(zhuǎn)換器。在高性能數(shù)字電路中（比如FPGA），體反向偏壓可用于顯著降低靜態(tài)功耗，同時保持或改善動態(tài)性能。PMOS和NMOS器件的體電壓可獨立控制以調(diào)節(jié)器件的門限（VT）。當FPGA要求較低時，可將門限調(diào)節(jié)得較高，從而顯著地降低這些數(shù)字構(gòu)件中的泄漏電流。當FPGA要求較高時，可以降低門限，從而提高速度，并因此提高FPGA性能。圖4顯示了一個這種應(yīng)用的高級方框圖。請注意，對于NMOS體偏置，電壓通常為0V±300mV，這非常適合于四象限拓撲。

　　圖4：FPGA體偏置應(yīng)用

　　可從4象限拓撲受益的另一種應(yīng)用是DC電動機驅(qū)動器。在很多情況下，DC電動機需要速度調(diào)節(jié)以及反向能力。用于4象限轉(zhuǎn)換器的LT8710能夠同時滿足這兩種要求。圖5顯示了一個這類應(yīng)用。請注意，DC電動機的負端可以簡單地連接至地，而正端可在正和負10V之間調(diào)節(jié)。與DC電動機驅(qū)動應(yīng)用類似，4象限拓撲還能用來驅(qū)動熱電冷卻器（TEC）、音頻揚聲器以及其他很多應(yīng)用。

　　圖5：驅(qū)動方向可反轉(zhuǎn)的DC電動機驅(qū)動器

　　結(jié)論

　　用于4象限D(zhuǎn)C/DC轉(zhuǎn)換器拓撲的LT8710是一款強大的電路器件，能產(chǎn)生正和負輸出電壓以及正和負輸出電流。與輸出串聯(lián)的電感器（圖2中的L2）降低了輸出電壓紋波。產(chǎn)生接近地的輸出電壓之過程也得到了簡化，因為在這種情況下，占空比接近50%.很多應(yīng)用可受益于這一電路，包括但不限于FPGA體偏置、DC電動機驅(qū)動、熱電冷卻器以及音頻驅(qū)動器。