Выходное напряжение четырехквадрантного DC/DC преобразователя плавно переходит из положительного в отрицательное

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2014

Albert Wu, Linear Technology

EDN-Europe

Во многих электронных системах бывает необходимо обеспечить биполярное (положительное и отрицательное) напряжение для определенного типа нагрузки. К таким нагрузкам относятся цепи смещения подложек кристаллов ПЛИС, термоэлектрические охладители, электродвигатели постоянного тока и многое другое.

Существует множество традиционных методов питания нагрузки двуполярным напряжением или током. Часто для этого используются H-мосты, однако они требуют, чтобы ни один из выводов нагрузки не имел прямого контакта с землей. Напряжение на каждом из двух выводов нагрузки изменяется от потенциала положительной шины питания до потенциала земли, а последовательно с нагрузкой для фильтрации импульсов обычно включается дроссель. Невозможность прямого подключения нагрузки к земле может усложнить механическую и электрическую конструкцию конечной системы. Кроме того, для схемы H-моста требуются четыре ключа и более сложная схема управления. Некоторые виды нагрузки имеют точки подключения отрицательного напряжения, не допускающие смещения в положительном относительно «земли» направлении. К примеру, это могут быть цепи смещения напряжения подложки ПЛИС.

Еще один традиционный метод заключается в формировании двух шин питания – одной положительной, и одной отрицательной. Для переключения между положительной и отрицательной шинами используются самые различные схемные решения. Это приводит к значительному усложнению системы, к очень плохому, как правило, КПД и нелинейной реакции в области пересечения выходного напряжения с потенциалом земли

Описанная здесь новая архитектура импульсного DC/DC преобразователя позволяет реализовать четырехквадрантный режим работы, означающий, что выходное напряжение может быть и положительным, и отрицательным, а ток может течь в любом направлении. Кроме того, эта архитектура дает возможность вырабатывать напряжение, плавно и без каких-либо нелинейных эффектов переходящее от одной полярности к другой через точку с потенциалом земли.

Четырехквадрантный DC/DC преобразователь

На Рисунке 1 показаны основные элементы и соединения четырехквадрантного преобразователя. N-канальный МОП транзистор MN и P-канальный MP работают в противофазе с постоянной частотой переключения. Используется режим управления по выходному току (не показанный на схеме) с модуляцией коэффициента заполнения импульсов включения MN.

Рисунок 1.	Топология четырехквадрантного DC/DC преобразователя.

Если считать рабочую частоту фиксированной, коэффициент заполнения импульсов, открывающих транзистор MN, может быть рассчитан как

Из этого выражения следует, что при положительном напряжении V_IN выходное напряжение V_OUT может быть положительным (вплоть до V_IN), отрицательным (ограниченным только практическими границами коэффициента заполнения), а также нулевым. Очевидно также, что уровень выходного напряжения 0 В не имеет никаких особенностей, поскольку коэффициент заполнения для этой рабочей точки равен 50%.

В зависимости от полярности выходного напряжения этот преобразователь может как отдавать, так и забирать ток, что делает такую топологию истинно четырехквадрантной. Максимальные напряжения сток-исток, воздействующее на MN и MP, одинаковы и равны 2V_IN – V_OUT. Например, при входном напряжении +12 В и выходном напряжении –12 В следует выбирать МОП транзисторы, выдерживающие более 36 В.

Устройство с четырехквадрантной топологией

Недавно выпущенная компанией Linear Technology микросхема LT8710 может использоваться в четырехквадрантной топологии. На Рисунке 2 изображена основанная на LT8710 полностью протестированная законченная схема. Схема рассчитана на входное напряжение 12 В, но допускает работу в диапазоне напряжений от 11 В до 13 В. Выходное напряжение регулируется в диапазоне от +5 до –5 В при максимальном токе ±3 А. Аналоговый входной сигнал V_CNTL управлет выходным напряжением. Работающий при входных напряжениях до 80 В контроллер LT8710 пригоден для построения множества других вариантов четырехквадрантных преобразователей, с бóльшими или меньшими напряжениями и токами.

Рисунок 2.	Четырехквадрантный преобразователь на микросхеме LT8710.

Возможности четырехквадрантного режима работы иллюстрируются Рисунком 3. Здесь синусоидальный управляющий сигнал используется для генерации симметричного относительно 0 В синусоидального выходного напряжения. Токи индуктивности могут иметь положительное или отрицательное направление. Сформированные рабочие сигналы отличаются чистотой и плавностью перехода через потенциал земли. Выбор для управления сигнала синусоидальной формы является частным случаем. Это напряжение может быть постоянным, иметь форму прямоугольных импульсов, и вообще быть произвольным.

Рисунок 3.	Синусоидальное выходное напряжение переходит через 0 В.

Области использования

Существует множество приложений, которые могли бы выиграть от использования этого четырехквадрантного DC/DC преобразователя. Например, в таких высокоэффективных схемах, как ПЛИС, изменением напряжения смещения подложки можно значительно снижать статическую мощность потребления, сохраняя при этом, или даже улучшая динамические характеристики. Напряжения подложек N- и P-канальных МОП транзисторов могут регулироваться независимо, чтобы установить требуемый порог переключения. Когда требования к ПЛИС невысоки, пороги можно увеличить, существенно сократив этим токи утечки цифровых блоков. Наоборот, при повышенных требованиях, уменьшение порогов позволит увеличить быстродействие и улучшить, таких образом, характеристики ПЛИС. На Рисунке 4 показана высокоуровневая блок-схема такого приложения. Заметим, что типичные значения напряжения смещения подложки N-канальных МОП транзисторов лежат в диапазоне от 0 до ±300 мВ, что хорошо соответствует возможностям четырехквадрантной топологии.

Рисунок 4.	Смещение подложки кристалла ПЛИС.

Еще одной сферой приложений, где могут проявиться преимущества четырехквадрантных преобразователей, являются драйверы двигателей постоянного тока. Во многих случаях требуется управление скоростью и направлением вращения двигателей. Включенная в четырехквадрантной конфигурации, микросхема LT8710 может делать и то, и другое. Рисунок 5 иллюстрирует пример такого использования микросхемы. Отметим, что отрицательный вывод двигателя постоянного тока может быть просто соединен с землей, в то время как напряжение положительного вывода будет регулироваться от –10 В до +10 В. Подобным же образом четырехквадрантная топология может использоваться для управления термоэлектрическими охладителями, акустическими колонками и многими другими устройствами.

Рисунок 5.	Реверсивное управление двигателем постоянного тока.

Заключение

Микросхема LT8710, используемая в топологии четырехквадрантного DC/DC преобразователя, является мощным средством формирования положительных и отрицательных напряжений, а также положительных и отрицательных токов. Включенная последовательно с выходом индуктивность (L2 на Рисунке 2) сглаживает пульсации напряжения. Получение выходных напряжений близких к «земле» также упрощается, поскольку коэффициент заполнения импульсов для этого случая близок к 50%. Эта схема будет полезной для многих приложений, в список которых входят, но не исчерпывают его, цепи смещения подложек ПЛИС, драйверы двигателей постоянного тока, термоэлектрические холодильники и аудио драйверы.