大多數(shù)電子系統(tǒng)依賴于正或負(fù)的電源電壓軌，但少數(shù)應(yīng)用需要可以同時(shí)使用單獨(dú)的電源軌。在這些情況下，正電源或負(fù)電源由同一端子提供，也就是說，電源的輸出電壓可以在整個(gè)電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，在極性之間平滑過渡。例如，除了傳統(tǒng)的電壓源外，一些汽車和音頻應(yīng)用還需要能夠用作負(fù)載和來自輸出端子的灌電流的電源。汽車系統(tǒng)中的再生制動(dòng)就是一個(gè)例子。記錄了單端子、雙極性電源，但可以在輸入電壓降（如冷啟動(dòng)條件）下工作，同時(shí)繼續(xù)提供雙向功能的解決方案卻沒有。本文介紹了一種不受輸入電壓變化影響的解決方案，同時(shí)產(chǎn)生電源并實(shí)現(xiàn)反向電流，即從輸出到輸入的反向電流。

雙極性、雙向電源電路

圖 1 顯示了一個(gè) 2 級電源，它以 4 象限控制器（第 2 級）U1 為中心。該 4 象限轉(zhuǎn)換器由中間總線轉(zhuǎn)換器 V 供電國米（第 1 級），提供最小-最大范圍為 12 V 至 24 V（標(biāo)稱值為 12 V 至 16 V）的輸出電壓，與標(biāo)準(zhǔn)汽車電池軌的標(biāo)稱電壓范圍相匹配。完整的兩級轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為±2 V，為負(fù)載提供10 A電流。輸出電壓由控制器U3的CTRL引腳上的電壓源控制信號控制。

圖1.雙極、雙向、2端子電源電氣原理圖：V在= 5 V 至 24 V， V外= 10 A 時(shí)為 ±3 V。

低通濾波器CF/ 1F減輕控制電壓的急劇變化。動(dòng)力傳動(dòng)系包括兩個(gè) MOSFET、N 溝道 QN1 和 P 溝道 QP1;兩個(gè)分立電感器，L1 和 L2;和輸出濾波器。選擇兩個(gè)分立電感器而不是單個(gè)耦合電感器，擴(kuò)大了合適磁性元件的范圍，并允許使用先前批準(zhǔn)和測試的扼流圈。由于輸出的雙極性特性，輸出濾波器完全由陶瓷電容器組成。

全兩級轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為2 V至5 V，可滿足汽車電子設(shè)備中的冷啟動(dòng)壓降和工業(yè)應(yīng)用中的掉電。升壓轉(zhuǎn)換器（第24級）基于控制器U1，每當(dāng)轉(zhuǎn)換器使能時(shí)，將中間總線的電壓保持在2 V或更高。升壓轉(zhuǎn)換器的動(dòng)力傳動(dòng)系包括電感L12和MOSFET Q3和Q1。2級配置允許下游2象限轉(zhuǎn)換器正常運(yùn)行，在所有工作條件下向負(fù)載提供±4 V電壓。

當(dāng)雙極性電源源出電流時(shí)如何工作

圖2中的示波圖顯示了圖1的電路。當(dāng)輸入電壓施加在V時(shí)在，升壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)其輸出，V國米，如果輸入低于此電平，則為 12 V。如果 V在超過標(biāo)稱12 V汽車電源軌的典型值12 V，然后升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)入直通?模式或有線模式。在這種模式下，頂部 MOSFET Q1 在 100% 占空比下得到增強(qiáng)，始終導(dǎo)通工作，因此不會(huì)發(fā)生開關(guān) — 電壓 V國米，應(yīng)用于 4 象限轉(zhuǎn)換器在等于 V 的水平上保持相對穩(wěn)定在.

圖2.顯示 V 的波形在從 14 V 降至 5 V。在= 5 V/格， V外= 5 V/格，升壓SW = 10 V/格，時(shí)間刻度為200 μs/格。

與典型的兩級器件（即升壓轉(zhuǎn)換器后跟降壓/反相）相比，這種方法大大提高了系統(tǒng)效率。這是因?yàn)樵谥蓖Ｊ较拢到y(tǒng)將花費(fèi)大部分時(shí)間，效率可能接近2%，基本上將電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱渭夀D(zhuǎn)換器。如果輸入電壓降至100 V電平以下（例如，在冷啟動(dòng)事件期間），則升壓轉(zhuǎn)換器將恢復(fù)開關(guān)以調(diào)節(jié)V國米至 12 V。這種方法允許四象限轉(zhuǎn)換器提供±4 V，即使面臨輸入電壓急劇下降。

當(dāng)控制電壓達(dá)到最大值（在本例中為1.048 V）時(shí)，轉(zhuǎn)換器輸出為+10 V。如果控制電壓處于最小值（100 mV），則轉(zhuǎn)換器輸出為–10 V。 控制電壓與輸出電壓的關(guān)系如圖3所示，其中控制電壓為60 Hz正弦信號頻率，峰峰值幅度為0.9048 V。由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換器輸出是相應(yīng)的60 Hz正弦波，峰峰值幅度為20 V。輸出可在–10 V至+10 V范圍內(nèi)平滑變化。

圖3.正弦波輸出波形與正弦控制信號的函數(shù)關(guān)系。V按= 0.5 V/格，V外= 5 V/格，時(shí)間刻度為 5 ms/格。

在這種工作模式下，四象限轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)輸出電壓。輸出電壓由U4通過電阻R檢測FB在其 FB 引腳上。將該引腳上的電壓與控制電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)該比較調(diào)整轉(zhuǎn)換器的占空比（即QN1上的柵極信號），以保持輸出電壓處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。如果 V國米、控制或 V外變化時(shí)，對占空比進(jìn)行調(diào)制以相應(yīng)地調(diào)節(jié)輸出。MOSFET QP1 開關(guān)與 QN1 同步進(jìn)行同步整流，以進(jìn)一步最大限度地提高效率，如圖 4 所示。

圖4.效率與負(fù)載電流的關(guān)系。

當(dāng)雙極性電源成為負(fù)載時(shí)如何工作：它吸收電流

該 2 級穩(wěn)壓器可用作電流源或吸電流。在吸電流模式下，電流和功率與輸出反向流動(dòng)，V外，到輸入，V在.這對于汽車電子和某些音頻系統(tǒng)非常重要。為了在描述此模式時(shí)確定措辭，V外現(xiàn)在將稱為輸入和 V在現(xiàn)在將稱為輸出。此外，本文僅考慮 V國米總線電壓等于或大于最小 12 V。

在反向電流期間，4象限轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)從V流出的輸出電流外到 V在;轉(zhuǎn)換器在此模式下不調(diào)節(jié)電壓。對于本解決方案，四象限控制器將輸出電流檢測為檢測電阻兩端的壓降（圖4中的RS2），并調(diào)節(jié)其占空比，以將該壓降保持在設(shè)定值1 mV。

當(dāng) 4 象限轉(zhuǎn)換器在 V 上產(chǎn)生電壓時(shí)國米超過指定最小值的總線，升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)入直通模式，頂部MOSFET Q1始終導(dǎo)通，并將輸出電流的預(yù)設(shè)值提供給V在（負(fù)載）端子具有盡可能小的損耗。

這種操作模式經(jīng)過臺式驗(yàn)證和測試。為此，V外圖1中的電路連接到設(shè)置為12.5 V的實(shí)驗(yàn)室電源和V在至電子負(fù)載，通過轉(zhuǎn)換器的電流設(shè)置為 4.5 A。四象限轉(zhuǎn)換器的熱圖像如圖4所示。

圖5.負(fù)載（反向電流）模式下四象限轉(zhuǎn)換器動(dòng)力傳動(dòng)系的熱圖像。4.4 A 電流從 V 流出外端子到 V在從 12.5 V 源電壓外.

圖6顯示了轉(zhuǎn)換器本身的照片，由ADI公司的兩個(gè)演示電路焊接在一起：即現(xiàn)成的DC2846A升壓轉(zhuǎn)換器演示電路和DC2240A四象限轉(zhuǎn)換器演示電路。

圖6.ADI公司兩塊現(xiàn)成的演示板焊接在一起產(chǎn)生的測試夾具照片。左邊是LTC7804 （DC2846A）。右側(cè)是 LT8714 （DC2240A）。

組件選擇和動(dòng)力傳動(dòng)系計(jì)算

為此應(yīng)用選擇的兩個(gè)控制器是由于其相對專業(yè)的功能的高性能、高效率和易用性而選擇的。線性的力量?LT8714 是一款易于使用的 4 象限控制器，具有高效率同步整流功能。LTC7804 同步升壓型轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)內(nèi)部充電泵，從而提供了一種高效、無開關(guān)、直通、100% 占空比的工作模式。

以下是對動(dòng)力總成部件應(yīng)力和初步部件選擇的公式分析。有關(guān)功能的更深入理解和詳細(xì)信息，請參閱這些器件的LTspice型號。?

動(dòng)力傳動(dòng)系計(jì)算
	設(shè)置最小值 V國米價(jià)值

數(shù)值示例

下面是一個(gè)數(shù)值示例，使用前面的公式應(yīng)用于在 10 A 時(shí)產(chǎn)生 ±3 V、200 kHz 開關(guān)頻率和 90% 效率的轉(zhuǎn)換器：

VINTER = 12 V

D4Q = 0.647 V

基于 LT8714 數(shù)據(jù)手冊中最大電流限值與占空比的關(guān)系圖，V光熱發(fā)電= 57 mV 對于給定的 D4Q.

VCSP = 57 mV for given D4Q.

RS1 = 0.63 × VCSP/IOUT × (1 – D4Q) = 0.004 ?

RS2 = (50 mV/1.5) × IOUT = 0.01 ?

L1 is selected as 10 μH and L2 as 15 μH

IL1 = 6.1 A; IL2 = 4.3 A

VQ = 58 V (at maximum VIN of 24 V)

VCTRN = 0.1 V

VCTRP = 1.048 V

RFB = 147 k?

Q1, Q2 voltage stress is 24 V

結(jié)論

本文介紹的轉(zhuǎn)換器是用于雙極性、雙向電源的高性能解決方案。一些特定特性有助于提高整體解決方案的性能：同步整流可實(shí)現(xiàn)高效率，簡單、專用的控制方案可輕松連接任何類型的主機(jī)處理器和外部控制電路。這種特殊的解決方案解決了輸入電壓不穩(wěn)定的問題，包括快速瞬變，并保證了所有工作條件下穩(wěn)定的輸出電壓。為該解決方案選擇的器件最大限度地提高了效率和設(shè)計(jì)便利性。例如，LT8714 可輕松設(shè)計(jì)雙極性、雙向電源。LTC7804 可在汽車和工業(yè)環(huán)境中作為中間電源實(shí)現(xiàn)接近 100% 的效率操作。

審核編輯：郭婷