摘要
电源电压在某些状况下被视为正电压或许负电压。关于不常常跟双向可控硅开关管打交道的人来说，“负电源”听起来怪怪的，究竟集成电路从来不运用负电压。
在有些状况下，双向可控硅驱动电路优先选用负电压。本文介绍几个简略的双向可控硅正电源驱动解决计划。
正电源和负电源
假如功率半导体操控电路需求运用电源，且驱动参阅端子连至市电(相线或零线端子)，则需求运用非阻隔电源。
双向可控硅、ACST、ACS或SCR(可控硅整流管)等沟通开关的触发电路就归于这种状况。这些开关器材都是由栅电流操控。栅电流有必要加在栅极引脚上，流经栅极和参阅端子，参阅端子包含SCR的阴极(K)、双向可控硅的A1端子或ACST和ACS开关的COM端子。
由于沟通开关操控电路及其电源有必要以参阅端子为参阅点(回连到相线电压)，所以需求非阻隔型电源。
将开关的驱动参阅端子连到非阻隔型电源有两种计划：
• 计划1:将操控电路接地端子(VSS)连到驱动参阅端子。
• 计划2:将操控电路电源电压端子(VDD)连到驱动参阅端子。
图1：电源极性界说
计划1是最常见的解决计划，开关的驱动参阅端子是零电压点(VSS)，如图1a所示。电源电压(VDD)高于市电端子的电位(相线或零线)，市电端子与驱动参阅端子(VSS)相连，所以这种拓扑也叫正电源驱动电路。假如电源电压是5V，则VDD是在市电参阅电压(例如，图1a中的零线端子)之上5V。
这个拓扑只适用于规范双向可控硅或SCR，不能与非规范的双向可控硅、ACS和ACS运用，原因解说见下文。不过只需做一些简略的修正，即可用正电源操控一切这些开关，本文最终进行阐明。
计划2是负电源，如图1b所示。电源参阅端子电压(VSS)低于与市电参阅端子相连的A1或COM端子的电压。假如电源电压是5V，则VSS是在市电参阅电压之下5V，即以相线电压为参阅点-5V。
这个拓扑可用于一切的双向可控硅、ACS和ACST，可是不能用于可控硅整流管，原因解说见下文。
电源输出极性与沟通开关技能的兼容性
闭合一个沟通开关，像其它双极器材相同，有必要在开关的栅极(G)与驱动参阅端子之间施加栅电流(拜见意法半导体的AN3168运用笔记)。
这样会产生几种状况。
• 假如是SCR，栅电流有必要是正电流(从G流向K)。
• 假如是双向可控硅和ACST，栅电流正负极性均可(与开关上施加的电压有关)。
• 假如是ACS，栅电流有必要是负电流(从COM流向G)。
运用正电流驱动SCR很简单。假如SCR的阴极衔接VSS端子，如图1a所示，当操控电路(一般是微操控器)的输出引脚置高电平时，操控电路向SCR栅极输出电流。
另一方面，直接驱动ACS开关需求负电源，如图1b所示。当操控电路输出引脚置低电平时，操控电路从SCR栅极吸收电流。
依据栅电流的极性和开关导通前施加的电压极性，咱们能够把双向可控硅、ACS和ACST的触发条件分为四个象限。当电流是流向栅极时，栅电流为正电流。以驱动参阅端子为参阅点，该拉电流的电压为正电压。四个象限分别是
• 象限1:正栅电流和正栅电压
• 象限2:负栅电流和正栅电压
• 象限3:负栅电流和负栅电压
• 象限4:正栅电流和负栅电压
双向控硅、ACS和ACST能够在每个象限或只在部分象限被激活，具体状况视开关所选用的半导体技能。
由于SCR开关只需正栅电流才干闭合，阴极与阳极端子加正电压才干使其导通，所以运用SCR时一般不考虑触发象限条件。
下表列出了不同开关的触发象限和不同开关与图1直接驱动电路的电源极性的兼容性。不难看出，负电源兼容除SCR外一切沟通开关技能。负电源驱动电路替换元器材更灵敏，不受技能约束，因而，负输出是首选。
表1.开关的触发象限和开关与直接驱动正负电源的兼容性
电源拓扑对输出极性的影响
假如运用正电源操控微操控器触发三象限双向可控硅、ACST或ACS，就会出现问题。如表1所示，在这种状况下不能完成直接操控。
此外，为契合能效规范对待机功耗的要求，常常运用开关式电源(SMPS)。正输出开关式电源的挑选首要取决于降压转换器的挑选，由于降压转换器是低输出电流离线转换器最常用拓扑。
在许多状况下只需求操控沟通开关，所以能够考虑负电源。降压升压转换器支撑负电压输出，并且拓扑的完成与降压转换器相同简单。此外，与降压转换器比较，降压升压转换器节省了输出负载电阻或输出齐纳二极管。在每支MOSFET导通期间，降压转换器的输出电容充电，在无负载或负载较小时，导致输出电流过大。
与降压转换器比较，降压升压转换器的能效(以及最大输出电流)更低，输出电容更大。在降压转换器内部，电感器的悉数电流都用于给输出电容充电，而在降压升压转换器内部，电感器电流只在续流二极管导通时给输出电容充电。可是，230 V AC / 12 V DC变流器的占空比十分低，所以降压升压转换器与降压转换器之间的功能距离不大。在选用相同电抗器材的条件下，两个拓扑的能效根本相同。
不过，即便开关电源有负输出，最好也是挑选正输出的开关电源。正输出可下降待机功耗。正电压线性稳压器的内部功耗低于50 µA，而负电压稳压器的功耗大约2 mA，该静态电流对开关电源待机功耗影响巨大。
挑选正电压输出的另一个原因是，现在3.3 V微操控器运用广泛，并且很难找到功耗很低的3.3 V负电压稳压器。
根据这些原因，图2的电路暗示图整合了负电源和正稳压器的两层长处。在这个暗示图中，ST715M33R是最大静态电流5.5 µA的正稳压器，与“负”15V输出相连，为微操控器供给3.3V电源电压，其间，-15V电压是根据VIPer06的降压升压转换器或反激式转换器的输出(拜见意法半导体的AN4564运用笔记)。T1635T-8是一个T系列三象限双向可控硅，微操控器能够吸收T1635T-8的电流。
图2：在双向可控硅操控电路中负电源合作正稳压器
经过修正栅极电路，能够运用正电源驱动三象限双向可控硅
除了挑选电源拓扑外，需求运用正电源还有其它原因。
例如，传感器以市电为参阅电压是为了监督某些电参数。例如，在通用电机操控器内部，一般给沟通开关串联一个分流器，检测负载电流，完成转速或扭矩闭环操控。在电表运用中，核算电网输入的电能，有必要丈量市电参数。
曩昔，驱动电路运用正电源的原因是，被丈量电压跟着分流或相线电压升高而升高，这样规划在逻辑上好像更合理。
这些运用电路图也能够改用负电源。假如考虑反极性丈量办法，微操控器固件逻辑也得修正(详见运用笔记AN4564)。
假如确认运用正电源，驱动三象限双向可控硅、ACS或ACST还有一个解决计划，便是给栅极电阻(R1)串联一个电容(C1)，如图3a所示，以便从双向可控硅的栅极吸收电流。
这个电路暗示图的作业原理如下：
• 当微操控器I/O引脚置高电平(VDD)时，电容C1充电，经过电阻R1吸收双向可控硅栅电流。由于三象限的双向可控硅无法在第4象限触发，假如A2和A1两个端子之间是负电压，双向可控硅开关不会导通(可是，假如该电压是正电压，则能够导通，即榜首象限触发条件)。
• 当C1电容充满电时(衔接微操控器电源，这里是5 V)，栅电流消失。
• 当微操控器I/O引脚置低电平(VSS)时，电容C1放电，经过电阻R1向双向可控硅栅极输出负电流。双向可控硅在第2或第3象限触发，具体状况取决于可控硅端子上是正电压仍是负电压。直到电容C1放电，负电流才会消失。
图3b是图3a暗示图的衍生图，用于操控ACS开关的特殊状况(像本例中的ACS108相同)。由于ACS开关在COM和G端子之间有一个P-N结，制止任何拉电流从G流向COM，二极管D1是微操控器I/O引脚置高电平时用于给电容C1充电。
图3：正电源供电的三象限双向可控硅或ACS驱动电路
在这两个暗示图中，只需微操控器I/O引脚施加一个短电压脉冲，驱动电路就会施加不同的栅电流。这种操控办法的长处在于，如果微操控器由于重置或闩锁而停止作业，电容就能够阻挠直流电流，进步运用的安全水平。
定论
为契合各种能效规范有关待机功耗的规则，电源解决计划常常运用开关式电源，正输出电源比较常用，不过，负电源电压兼容各种沟通开关，所以有些状况下还会优先选用负输出。
正电压输出的长处是能够下降待机功耗。本文介绍两个解决计划，一个是经过修正驱动电路，使正稳压器合作负电源，完成优势互补。另一个解决计划是在栅极电路上添加一个电容，即便挑选了正电源，依然能够从双向可控硅栅极吸收电流。
