一款四象限 DC/DC 開關穩(wěn)壓器可實現(xiàn) 從正至負輸出電壓的平滑轉換以滿足 FPGA 和其他應用的需要
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體偏置應用、熱電冷卻器、DC 電動機以及其他很多類型的應用。
有很多傳統(tǒng)方法可為負載提供雙極性電壓 / 電流。H 橋式設計經常使用，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)的機械及電氣設計復雜化。H 橋式方法還需要 4 個開關組件和更加復雜的控制方法。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，會產生非線性響應。
本文給出一種新的 DC/DC 開關架構，該架構能夠實現(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，這種新架構產生的輸出電壓能夠從一種極性向另一種極性、穿過地電位平滑轉換，而且這種轉換模式不產生任何非線性問題。
四象限 DC/DC 轉換器
圖 1 顯示了這種 4 象限轉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頻率工作。電流模式控制 (圖中未顯示) 在需要時用來調制 MN 的占空比。
圖 1：四象限 DC/DC 轉換器拓撲
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，該轉換器 DC 的占空比為 50%。
無論輸出電壓是什么極性，該轉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 范圍內可調，輸出電流可達 ±3A。模擬控制信號 VCNTL 用來調節(jié)輸出電壓。LT8710 是一款 80V 控制器，因此可用來構成提供更高或更低電壓及電流的其他很多版本之 4 象限轉換器。
圖 2：用 LT8710 構成的 4 象限轉換器
該轉換器的 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
應用
有很多應用可以利用這種 4 象限 DC/DC 轉換器。在高性能數字電路中 (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節(jié)器件的門限 (VT)。當 FPGA 要求較低時，可將門限調節(jié)得較高，從而顯著地降低這些數字構件中的泄漏電流。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體偏置應用
可從 4 象限拓撲受益的另一種應用是 DC 電動機驅動器。在很多情況下，DC 電動機需要速度調節(jié)以及反向能力。用于 4 象限轉換器的 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 之間調節(jié)。與 DC 電動機驅動應用類似，4 象限拓撲還能用來驅動熱電冷卻器 (TEC)、音頻揚聲器以及其他很多應用。
圖 5：驅動方向可反轉的 DC 電動機驅動器
結論
用于 4 象限 DC/DC 轉換器拓撲的 LT8710 是一款強大的電路器件，能產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%。很多應用可受益于這一電路，包括但不限于 FPGA體偏置、DC 電動機驅動、熱電冷卻器以及音頻驅動器。
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