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摘要
本文詳細介紹一種創(chuàng)建雙輸出電壓軌的方法，該方法能為設(shè)備電源(DPS)提供正負電壓軌，并且只需要一個雙向電源。傳統(tǒng)的設(shè)備電源供電方法使用兩個雙向（拉電流和灌電流能力）電源，一個為正電壓軌供電，一個為負電壓軌供電。這種配置不但笨重，且成本高昂。
簡介
DPS一般與自動測試設(shè)備(ATE)和其他測量設(shè)備搭配使用。ATE是一種電腦控制機械設(shè)備，自動驅(qū)動傳統(tǒng)的手動電子測試設(shè)備來評估功能、質(zhì)量、性能和應力測試。這些ATE需要配套的DPS提供四象限電源運行能力。DPS是一種四象限電源，可以提供正電壓或負電壓，同時具備拉電流和灌電流能力。要使用DPS為更大電流的應用供電，需要將多個DPS設(shè)備組合在一起，以提高解決方案的電流容量。DPS可以提供拉電流和獲取灌電流，所以DPS的電源必須具備同樣的功能。采用雙輸出電壓軌設(shè)計旨在將所需的雙向電源的數(shù)量減少至一個，同時仍然為DPS提供正負雙向電源。構(gòu)建雙向正電源非常簡單，可以使用市面上提供拉電流和灌電流的多種IC實現(xiàn)。問題在于根據(jù)受測設(shè)備(DUT)的要求，負電源也需要具有拉電流和灌電流能力。一種解決方案是使用雙向降壓IC，該IC可以配置用作反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。例如LTC3871，這是一個雙向降壓或升壓控制器，可用于正電壓軌和負電壓軌。
使用降壓IC設(shè)計反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
圖1顯示了降壓轉(zhuǎn)換器的簡化原理示意圖。該轉(zhuǎn)換器獲取正電壓輸入，然后輸出幅度更低的正電壓。圖2顯示了一個反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，它獲取正電壓輸出，然后輸出幅度更小或更大的負電壓。如圖3所示，可以按照以下步驟，將降壓拓撲轉(zhuǎn)換為反相降壓-升壓拓撲：
- 將降壓轉(zhuǎn)換器的正電壓輸出轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)地
- 將降壓轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)地轉(zhuǎn)換為負電壓輸出節(jié)點
- 在降壓轉(zhuǎn)換器的VIN和正電壓輸出之間施加輸入電壓
圖4顯示了將降壓IC轉(zhuǎn)換為反相降壓-升壓配置的簡化原理圖。
圖1.降壓轉(zhuǎn)換器。
圖2.反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。
圖3.將降壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為反相降壓-升壓配置。
圖4.反相降壓-升壓拓撲中使用的降壓IC。
轉(zhuǎn)換降壓IC的工作原理
拉電流
圖5顯示反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的波形，以及提供拉電流時的電流路徑。圖5a顯示控制MOSFET導通時轉(zhuǎn)換器中的電流流動。圖5c顯示控制MOSFET中的電流流動，其平均值為輸入電流。在這段時間內(nèi)，電感開始儲存電能，使電流升高，輸出電容為負載供電。在此期間，電感電壓等于輸入電壓。
當control MOSFET關(guān)斷后，sync MOSFET導通，圖5b顯示sync MOSFET中的電流流動。輸出電流是sync MOSFET的平均電流，電感電壓等于輸出電壓。當電感開始為負載和電容器供電時，其電流開始下降。每個開關(guān)周期都如此重復。
轉(zhuǎn)換器反饋控制脈寬調(diào)制(PWM)，將輸出電壓調(diào)節(jié)至分壓電阻設(shè)置的所需電平。公式1顯示了輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系。
其中
- VOUT =輸出電壓
- VIN =輸入電壓
- D =占空比
- η = 系統(tǒng)效率
占空比大于50%時，輸出電壓大于輸入電壓，占空比小于50%時，輸出電壓小于輸入電壓。
灌電流
轉(zhuǎn)換器開始獲取灌電流時，電流從輸出流向輸入，如圖6a和6b所示。圖6c和6d分別顯示了電流流經(jīng)控制MOSFET和sync MOSFET的過程。由于轉(zhuǎn)換器正在獲取灌電流，所以負電流會流經(jīng)MOSFET。測試結(jié)果部分顯示了獲取灌電流期間的負電感電流。
測試結(jié)果
圖7顯示用于測試設(shè)計的拉灌電流和灌拉電流能力的實際設(shè)置。圖8顯示了該設(shè)置的框圖。雙向直流電源用作VPOS的電源，處于CV模式。另一個直流電源連接至VNEG的輸出。此直流電源控制流入系統(tǒng)的電流量。阻塞二極管與該直流電源串聯(lián)，確保轉(zhuǎn)換器提供拉電流時不會有電流流入轉(zhuǎn)換器。電子負載用作初始負載，以表明系統(tǒng)能夠從提供拉電流轉(zhuǎn)換為獲取灌電流，反之亦然。
圖5.(a)導通期間的電流流動，(b)關(guān)斷期間的電流流動，(c)流經(jīng)頂部/控制MOSFET的電流，(d)流經(jīng)底部/sync MOSFET的電流，(e)電感電壓。
圖6.(a)導通期間的電流流動，(b)關(guān)斷期間的電流流動，(c)流經(jīng)頂部/控制MOSFET的電流，(d)流經(jīng)底部/sync MOSFET的電流。
圖7.用于進行拉灌電流測試的電路板設(shè)置。
圖8.該測試板電路設(shè)置的框圖。
捕捉到的波形如圖9所示。直流電源開啟后，VNEG電壓軌開始獲取灌電流。從電感電流波形可以看出，它從正電流轉(zhuǎn)為負電流。在VNEG獲取灌電流時，系統(tǒng)在此條件下保持開環(huán)，拉灌電流由外部直流電源的CC模式控制。圖10所示的VPOS也是如此。連接至其輸出的直流電電源開啟后，VPOS電壓軌開始獲取灌電流。
圖9.VNEG拉電流向灌電流轉(zhuǎn)變（+1 A至–20 A）。
圖10.VPOS拉電流向灌電流轉(zhuǎn)變（+1 A至–20 A）。
捕捉到的波形如圖11所示，展示了系統(tǒng)從拉電流向灌電流轉(zhuǎn)變的行為。從電感電流可以看出，它從負電流轉(zhuǎn)為正電流。這表明停止向VNEG施加DC電壓之后，電流重新轉(zhuǎn)變?yōu)槔娏鳌D12所示的VPOS電源軌也是如此。
圖11.VNEG灌電流向拉電流轉(zhuǎn)變（-20 A至+1 A）。
圖12.VPOS灌電流向拉電流轉(zhuǎn)變（-20 A至+1 A）。
結(jié)論
雙輸出電壓軌能夠進行VPOS和VNEG雙向供電，所以減少了所需的設(shè)備數(shù)量。因為灌入一個電源軌的電流可用于為另一個電源軌供電，使得主電源拉取的電流減少，所以其效率更高。該設(shè)計還有另一個優(yōu)勢，即在設(shè)計雙向反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時，可供選擇的IC會更多。
參考資料
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