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如何采用一种简单的电路动态调整负输出电压?

时间:2021-06-10 作者:Pradeep Shenoy 阅读:
我们现如今有用于产生负输出电压的标准技术,也有动态调整输出电压的方式。我将在本文介绍这之间的缺失环节——一个用于结合这两项技术的电平转换电路。本文使用了简单的电路来实现可调负输出电压,可以与许多现成的降压转换器 IC 配合使用。
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我们现如今有用于产生负输出电压的标准技术,也有动态调整输出电压的方式。我将在本文介绍这之间的缺失环节——一个用于结合这两项技术的电平转换电路。

需要负输出电压的电源应用包括:测试和测量、航空航天和国防、汽车和医疗。一种常用的创建负电源轨的方法是使用传统的降压转换器,并将其作为反相降压-升压转换器运行(参考文献 1-3):将降压转换器集成电路 (IC) 的接地引脚连接到负输出电压(-VOUT),并将电感输出端接到系统接地 (0V)。图 1 是这个配置的示例。利用输出和反馈 (FB) 引脚之间的电阻分压器来设置输出电压。

图 1:降压转换器作为反相降压-升压转换器运行时会产生负输出电压。

使用降压转换器 IC 产生负电压有一主要挑战:如何与IC的输入和输出信号连接,并对其进行电平转换。输入/输出 (I/O) 引脚的参照端是负电压输出端(-VOUT),而不是系统接地 (0V)。这份 TI 应用报告很好地解释了几种能够在系统接地 (0V) 和IC 本地接地 (-VOUT) 域之间对启用 (EN)、电源良好 (PGOOD) 和同步 (SYNC) 信号进行电平转换的电路。该报告包含了如何通过测量波特图和负载瞬态响应来测试电路的有用建议。这份应用报告还有一些电平转换电路的示例。

接下来我们来看看动态电压调节。对于传统的降压或升压转换器,参考文献 4、5 和 6 演示了几种调节输出电压的方法。如图 2 所示,一种普及的方法是在FB 引脚和可调电压源 (VADJ) 之间加一个电阻器。 通过增大或减小VADJ就可以动态调节转换器的输出电压。当 VADJ 高于 FB 节点处的电压(等于参考电压 VREF)时,电流将通过电阻器 RADJ 流入 FB 节点。这将导致输出电压下降。

相反,如果 VADJ 电压低于 FB 节点处电压,则电流将以相反方向流过电阻器 RADJ,输出电压将升高。

图2: 你可以通过电流流出/流入FB节点来动态调整转换器的输出电压。

产生VADJ的一个简便方法是:将一个脉宽调制 (PWM) 信号通过电阻-电容低通滤波器。PWM信号可以通过微控制器或其他数字芯片输出。通过控制 PWM 信号的占空比来调节 VADJ。使用这种方法动态调整反相降压-升压转换器的负输出电压可能会很困难,因为降压转换器 IC 的本地接地接在输出电压 (-VOUT) 上,而不是系统接地 (0V)上。这种情况很可能需要一个电平转换电路,例如我之前提到的与I/O 引脚的连接(图 3)。

图 3:使用接地的 PWM 信号来产生 VADJ 需要一个电平转换电路。

图 4 展示了这样一个电平转换电路的示例。该电路将一个系统接地 (0V) 的 PWM 信号转换为一个 IC 接地 (-VOUT) 的 PWM 信号。 PWM 信号源控制P 沟道金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的导通和关断。当 P 沟道 MOSFET 导通时,它会将 N 沟道 MOSFET 的栅极电压拉至栅极阈值电压以上,使 N 沟道 MOSFET导通,接着会将 VPWM 拉低至 -VOUT。当 P 沟道 MOSFET 关断时,N 沟道 MOSFET 关断,电阻 RPU 将 VPWM 上拉至 VBIAS。 VBIAS 可以使用精密并联稳压器(例如德州仪器 LM4040)产生,该稳压器连接至-VOUT,并通过一个电阻器连接到 VIN。如图 3 所示,RFLT 和 CFLT充当的是低通滤波器,用于产生VADJ。通过调整RADJ上的电流来调节输出电压。

图 4:电平转换电路的示例:使用分立元件将 PWM 信号从系统接地转换为 IC 接地(-VOUT

图 5 中的仿真结果证明了这种方法可用来调节负输出电压,其中降压转换器作为反相降压-升压转换器运行。在前 6 毫秒 (ms) 内,负输出电压(红色标记,用“NVOUT”表示)缓慢拉升至 -7V。蓝线表示的是 VADJ,在启动期间跟随负输出电压。 PWM电路在 7 ms 时启用(紫色为PWM 的输入波形),并使 PWM产生电平偏移 (VPWM)。 VADJ(蓝色)升高,转换器输出电压也随之升高。转换器在大约 2 ms的转换时间后达到新的稳态工作点(大约-2V)。在仿真中,调节PWM 信号可以平滑、有效地降低输出电压。

图 5:仿真结果展示了如何使用电平转换电路来动态调整负输出电压。

这个方法使用了简单的电路来实现可调负输出电压,可以与许多现成的降压转换器 IC 配合使用。该电路结合了输出电压调节和信号电平转换的常用技术。通过使用本文介绍的电平转换电路,系统接地的 PWM 源可以调节电源转换器 FB 节点处的电流。这个设计的主要挑战是:在IC的接地电压(与负输出电压相同)改变的同时,控制注入电流。这项技术适用于多种需要动态调整负输出电压的应用。

(参考原文:Dynamically adjust negative output voltages

责编:Amy Guan

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