简介
大部分电子体系都依赖于正电压轨或负电压轨，可是有些运用要求单电压轨一起为正负电压轨。在这种状况下，正电源或负电源由同一端子供给，也便是说，电源的输出电压能够在整个电压规模内调理，而且能够平稳转化极性。例如，一些轿车和音频运用除了需求传统电压源外，还需求能够用作负载以及从输出端子汲取电流的电源。轿车体系中的再生制动便是这种运用。关于单端子双极性电源已有相关文献介绍，可是关于能够在输入有电压降期间作业（例如冷启动条件下），一起持续供给双向功用的处理计划没有看到相关材料。本文介绍一种不受输入电压改变影响，一起发生功率并完成反向电流活动（即从输出到输入）的处理计划。
图 1. 双极性、双向、双端子电源的电气原理图： VIN = 5 V至 24 V, 3 A 时 VOUT = ±10 V
双极性双向电源电路
图1所示为以4象限操控器（第2级）U1为中心的2级电源。这个4象限转化器由中心总线转化器VINTER（第1级）供给馈电，供给12 V 至24 V规模的输出电压，标称电压为12 V至16 V，与规范轿车电池电压轨的标称电压规模匹配。整个2级转化器的输出电压为±10 V， 供给3 A负载电流。输出电压由操控器U1的CTRL引脚上的电压源CONTROL信号操控。
通过低通滤波器CF, RF缓解操控电压的急剧改变。传动体系包含两个MOSFET，分别是N沟道QN1和P沟道QP1；两个分立电感L1和L2以及一个输出滤波器。用两个分立电感代替单个耦合电感能够扩展适用的磁电规模，而且能够运用曾经通过认证和测验的扼流圈。由于输出具有双极性特性，所以输出滤波器仅选用陶瓷电容组成。
整个2级转化器的输入电压规模为5 V至24 V，包含轿车电子的冷启动压降和工业运用中的掉电状况。启用转化器时，依据操控器U2的升压转化器（级1）使中心总线电压保持在或高于12 V。升压转化器的动力体系包含电感L3、MOSFET Q1和Q2。2级结构支 持下流的4象限转化器正常作业，在所有作业条件下向负载供给±10 V电压。
图 2.VIN从 14 V 下降至 5 V 时的波形。VIN = 5 V/div ，VOUT = 5 V/div ，升压 SW = 10 V/div ，时标为 200 µs/div
双极性电源供给电流的作业原理
图2的波形显现了图1电路的作业状况。在VIN端施加输入电压时，假如输入降至12 V以下，升压转化器会将其输出VINTER调理至12 V。假如 VIN 超越标称12 V轿车电轨的12 V典型值，升压转化器会进入 Pass-Thru™ 。在这种形式下，顶部MOSFET Q1会在100%占空比一直导通作业，所以不会进行切换操作；施加于4象限转化器的电压 VINTER相对安稳地保持在 VIN。
与典型的2级器材（即升压转化器后接降压/反相）比较，这种办法大幅提升了体系功率。这是由于Pass-Thru形式下（体系大 部分时刻都处于此形式）的功率能够挨近100%，本质大将功率体系转变为单级转化器。假如输入电压下降至12 V电平以下（例 如，在冷启动期间），升压转化器将切换为将VINTER 至 12 V调理至12 V。选用此办法，即便输入电压急剧下降，4象限转化器也能够供给±10 V电压。
操控电压到达最大值（在本例中，为1.048 V）时，转化器输出为+10 V。操控电压到达最小值(100 mV)时，转化器输出为–10 V。操控电 压与输出电压之间的联系如图3所示，其间操控电压为60 Hz正弦信号频率，峰峰值起伏为0.9048 V。由此得到的转化器输出为相应的 60 Hz正弦波，峰峰值起伏为20 V。输出从–10 V平稳改变为+10 V。
图 3. 与正弦操控信号呈函数联系的正弦波输出波形。 VCTRL= 0.5 V/div, VOUT = 5 V/div ，时标为 5 ms/div
在此作业形式下，4象限转化器调理输出电压。输出电压由U1通过其FB引脚上的电阻RFB 来感测。将该引脚上的电压与操控电压比较较，并依据比较成果调理转化器的占空比（即QN1上的栅极信号），使输出电压保持安稳。假如VINTER, CONTROL, 或 VOUT 发生改变，会进行占空比调制，然后相应地调理输出。MOSFET QP1与QN1同步开关，以完成同步整流，进一步充沛进步功率，如图4所示。
图 4. 功率与负载电流的联系。
双极性电源供给电流的作业原理
图2的波形显现了图1电路的作业状况。在VIN 端施加输入电压时，假如输入降至12 V以下，升压转化器会将其输出VINTER调理至12 V。假如VINN 超越标称12 V轿车电轨的12 V典型值，升压转化器会进入Pass-Thru TM 形式。在这种形式下，顶部MOSFET Q1会在100%占空比一直导通作业，所以不会进行切换操作；施加于4象限转化器的电压VINTER相对安稳地保持在VIN 。
电流反向活动时，4象限转化器调理从VOUT 流至VIN 的输出电流；在这种形式下，转化器不调理电压。4象限操控器感测检测电阻（图1中为RS2）两头发生压降时的输出电流，并调理其占空比，使压降保持在设定值（在本处理计划中为50 mV）。
当4象限转化器在VINTER 总线上发生的电压超越规则的最小值时，升压转化器进入Pass-Thru形式，顶部MOSFET Q1一直导通，并尽可能以最低损耗将输出电流预设值供给给 VIN（负载）端子。
此作业形式已通过测验和验证。为此，将图1中电路的 VOUT 衔接至实验室电源（设置为12.5 V），将VIN衔接至电子负载，将流经转化器的电流设置为4.5 A。4象限转化器的热印象如图5所示。
图 5. 4 象限转化器传动体系在负载（反向电流）形式下的热印象。 4.5 A 电流从VOUT 端子流至 12.5 V 电源 (VOUT) 的VIN 。
图6所示为转化器什物相片，它由两个焊接在一起的ADI演示电路组成：分别是 DC2846A 升压转化器演示电路和 DC2240A 4象限转化器演示电路。
图 6. 将两个现成的 ADI 演示板焊接在一起组成的测验电路什物相片。左边为 LTC7804 (DC2846A) 。右侧为 LT8714 (DC2240A)
组件挑选和传动体系核算
此运用挑选的这两个操控器都具有高功能、高功率，而且简略易用。 Linear™是一款易于运用的4象限操控器，支撑高效同步整流。LTC7804同步升压转化器内置电荷泵，供给高效、无需切换的Pass-Thru 100%占空比作业形式。
接下来针对传动体系组件和开始挑选的组件进行应力剖析。为了更深化地了解功用概况，请参阅这些器材的 LTspice®模型。
表1. 4象限转化器传动体系核算
表2. 4象限转化器操控电路核算
表3. 升压转化器核算*
这是一个数值示例，将之前的公式运用于转化器，在3 A、200 kHz 开关频率和90%功率下发生±10 V：数值示例
VINTER = 12 V
D4Q = 0.647 V
依据LT8714数据手册中的最大限流值与占空比联系图，关于给定 的 D4Q，VCSP = 57 mV。
RS1 = 0.63 × VCSP/IOUT × (1 – D4Q) = 0.004 Ω
RS2 = (50 mV/1.5) × IOUT = 0.01 Ω
挑选L1为10 µH，L2为15 µH
IL1 = 6.1 A; IL2 = 4.3 A
VQ = 58 V 最大VIN 为24 V时）
VCTRN = 0.1 V
VCTRP = 1.048 V
RFB = 147 kΩ
Q1、Q2电压应力为24 V
定论
本文介绍了一种可完成双极性、双向电源的高功能转化器处理计划。具有以下有助于进步处理计划全体功能的特性：同步 整流可发生高功率，简略易行的专用操控计划可轻松衔接各种类型的主机处理器和外部操控电路。这种处理计划处理了输入 电压不稳的问题（包含快速瞬变），保证在所有作业条件下都能供给安稳的输出电压。本处理计划挑选的器材可充沛进步效 率，简化规划。例如，运用ADI公司的LT8714能够轻松规划双极性、双向电源。在轿车和工业环境中，LTC7804可作为中心电源，完成挨近100%的作业功率。
作者
Victor Khasiev
Victor Khasiev是ADI公司的高档运用工程师，在AC/DC和DC/DC转化的电力电子范畴具有丰厚的经历。他具有两项专利，并撰写了多篇文章。这些文章触及ADI半导体器材在轿车和工业运用中的运用，包含了升压、降压、SEPIC、正-负、负-负、反激式、正激式转化器和双向备用电源。他持有高效功率因数校对处理计划和先进的栅极驱动器相关专利。Victor乐于为ADI公司客户供给技术支撑回答有关ADI产品、电源原理图规划和验证、印刷电路板布局、毛病排查以及终究体系测验的问题。
