Биполярный источник питания с двумя выходными клеммами

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2019

Введение

Двухквадрантный источник питания – источник, на одних и тех же выходных клеммах которого напряжение может быть положительным или отрицательным, – легко изготовить, используя контроллер четырехквадрантного DC/DC преобразователя LT8714. Показанный здесь двухквадрантный источник питания можно использовать в самых разных областях – от затемнения окон, когда изменение полярности меняет ориентацию молекул жидкого кристалла, до контрольно-измерительного оборудования.

В технической документации на LT8714 описывается работа двухквадрантного источника питания в первом квадранте (положительный вход, положительный выход) и во втором квадранте (положительный вход, отрицательный выход). Обратите внимание, что в обоих квадрантах источник питания отдает ток в нагрузку, то есть, является источником энергии, а не поглотителем. Во втором и четвертом квадрантах источник поглощает энергию.

Описание схемы и ее работы

На Рисунке 1 показана схема двухквадрантного источника питания на основе контроллера LT8714. Силовая цепь схемы образована N-канальными MOSFET QN1 и QN2, P-канальными MOSFET QP1 и QP 2, дросселями L1 и L2, разделительным конденсатором CC, а также входным и выходным фильтрами. Дроссели L1 и L2 – это две дискретные несвязанные индуктивности, что снижает стоимость преобразователя.

Рисунок 1.	Принципиальная схема источника питания на основе контроллера LT8714, работающего в двух квадрантах; VIN = 12 В, VO = ±5 В, ток нагрузки 6 A.

Правильный выбор активных и пассивных компонентов требует хорошего понимания того, каковы уровни напряжений и токов, воздействующих на элементы в каждом квадранте. Для этого на Рисунке 2 показаны функциональные топологии для положительного выходного напряжения.

Рисунок 2.	Топологии преобразователя в двухквадрантном режиме при положительном выходном напряжении.

Когда вольт-секундный баланс находится в установившемся состоянии, коэффициент заполнения D можно найти из выражения:

Для проверки конструкции стандартная демонстрационная схема DC2240A была переработана в соответствии со схемой, показанной на Рисунке 1. Номинальное входное напряжение равно 12 В при выходных напряжениях ±5 В и максимальном токе нагрузки 6 А для напряжений обеих полярностей.

Измеренная зависимость КПД от тока нагрузки показана на Рисунке 3. КПД схемы при положительном выходном напряжении больше, чем при отрицательном напряжении, что соответствует результатам теоретических расчетов. Напряжения и токи, воздействующие на компоненты, намного выше в конфигурации с отрицательным выходным напряжением, что увеличивает потери и снижает КПД.

Рисунок 3.	Зависимость КПД преобразователя от тока нагрузки при входном напряжении 12 В и выходных напряжениях +5 В и –5 В.

Рисунок 4 иллюстрирует отличную линейность зависимости выходного напряжения от управляющего напряжения V_CTRL. Для этой конфигурации схема была нагружена резистором 1 Ом, а управляющее напряжение менялось от 0.1 В до 1 В.

Рисунок 4.	График зависимости выходного напряжения VO от управляющего напряжения VCTRL. При изменении VCTRL от 0.1 В до 1 В VO изменяется от –5 В до +5 В.

Используя две модели LTspice, мы смогли проанализировать характеристики LT8714 с индикацией «Питание в норме» в первой модели и с использованием несвязанных индуктивностей во второй модели.

Заключение

В этой статье описана простая съема двухквадрантного источника напряжения на основе микросхемы LT8714. Конструкция была протестирована и подтвердила отличную линейность, обеспечиваемую контроллером LT8714.

Материалы по теме