使用簡單降壓控制器　雙極性電源設計突破約束

工業、汽車、IT和網路公司為功率電子、半導體、元件和系統的主要購買者與消費者。這些公司使用著各種可用的DC-DC轉換器拓撲結構，採用不同形式的降壓、升壓和SEPIC結構。在理想的情況下，這些公司會針對每個新專案使用專門的控制器。然而，採用新晶片需要大量投資，因為必須花費很多時間和成本來測試新元件是否符合汽車標準，以及驗證其在特定應用、條件和設備中的功能。顯然，為了降低開發和設計成本，針對不同應用應採用已經過批准和驗證的控制器。

用於產生電源的最常用拓撲結構是降壓轉換器。但是，這種拓撲結構僅限於從高於輸出的輸入電壓產生正輸出。當輸入電壓低於輸出電壓時，不能直接利用它來產生負電壓或提供穩定的輸出。產生輸出的這兩個方面在汽車電子中均相當重要，因為需要負電壓來為放大器供電，或者當輸入電壓軌顯著降低時，在冷啟動的情況下整個系統必須連續正常工作。本文將詳細介紹在SEPIC、Cuk和升壓轉換器中使用簡單降壓控制器的方法。

從公共輸入軌產生正負電壓簡化電源控制

圖1顯示了基於單個降壓控制器(具有兩路輸出)的雙極性電源設計。為了最大限度地利用該晶片，必須使用一路輸出來產生正電壓，使用第二路輸出來產生負電壓。此電路的輸入電壓範圍為6V~40V。V_OUT1產生10A、3.3V的正電壓，V_OUT2產生3A、-12V的負電壓。兩路輸出均由U1控制。第一路輸出V_OUT1是簡單的降壓轉換器。第二路輸出的結構更複雜一些。V_OUT2相對於GND為負，故使用差分放大器U2來檢測負電壓並將其調整為0.8V基準電壓。在這種方法中，U1和U2均以系統GND為基準，如此大幅簡化了電源的控制和功能。如果需要其他輸出電壓時，公式1則有助於計算RF2和RF3的電阻值。

公式1

V_OUT2電源系採用Cuk拓撲結構，相關技術文獻中對此具有廣泛的介紹。為瞭解電源系元件上的電壓，需要使用公式2。

公式2

V_OUT2效率曲線如圖2所示。這種方法的LTspice模擬模型參見此處。在本例中，LTC3892轉換器的輸入為10V~20V。輸出電壓為10A、+5V和5A、-5V。

從波動輸入軌產生穩定電壓

圖3所示轉換器的電氣原理圖支援兩路輸出：V_OUT1為10A、3.3V，V_OUT2為3A、12V。輸入電壓範圍為6V~40V。V_OUT1以類似方式創建，如圖1所示。第二路輸出是SEPIC轉換器。與上面的Cuk一樣，該SEPIC轉換器基於非耦合的雙分立電感解決方案。分立扼流圈的使用顯著擴大了可用磁性材料的範圍，這對於成本敏感型元件非常重要。

公式3

該轉換器在電壓下降和達到尖峰時(例如在冷啟動或電源切斷時)。軌電壓VIN圍繞相對標稱值12V下降或上升。但是，V_OUT1和V_OUT2均處於穩壓狀態，為關鍵負載提供穩定的電源。雙電感SEPIC轉換器可以輕鬆重新連接成單電感升壓轉換器。

相關LTspice模擬模型參見此處。它顯示了LTC3892轉換器的輸入為10V~20V。本文介紹了基於降壓控制器構建雙極性和雙輸出電源的方法。這種方法支援在降壓、升壓、SEPIC和Cuk拓撲中使用了相同的控制器，而這對於汽車和工業電子供應商來說是非常重要的，因為一旦經過核准，他們便可基於同一控制器設計出提供各種輸出電壓的電源。

(本文作者為ADI高級應用工程師)