簡介
臺式
電源(PS)往往有偶數(shù)個端口（忽略機(jī)箱端口）：一個正端口和一個負(fù)端口。使用臺式
電源產(chǎn)生正極性輸出很容易：將負(fù)輸出設(shè)置為GND，將正輸出電壓設(shè)置為正輸出。產(chǎn)生負(fù)
電源同樣容易，只需將上述設(shè)置反轉(zhuǎn)。但是，如何生產(chǎn)雙極性
電源，負(fù)載可以同時使用正電壓和負(fù)電壓？相對而言，這也很簡單——只需將一個實驗室通道的正端口連接到另一個通道的負(fù)端口，并稱其為GND。另外兩個端口（正和負(fù)）分別就是正負(fù)
電源。結(jié)果得到一個三端口雙極性
電源，提供GND、正和負(fù)電壓電平。由于使用了三個端口，因此在
電源下游的正
電源和負(fù)
電源之間必須進(jìn)行某種切換。
如果應(yīng)用要求同一
電源端口為正或負(fù)（僅向負(fù)載提供兩個端口的設(shè)置），該怎么辦？這不是一個純學(xué)術(shù)問題。在
汽車和工業(yè)環(huán)境中，有些應(yīng)用需要雙極性、可調(diào)節(jié)的雙端口
電源。例如，從具異國風(fēng)情的玻璃貼膜到
測試測量設(shè)備，這些應(yīng)用會使用雙端口雙極性
電源。
如前所述，傳統(tǒng)雙極性
電源使用三個輸出端口產(chǎn)生兩路輸出：正、負(fù)和GND。相比之下，單路輸出
電源應(yīng)僅配備兩個輸出端口：一個GND和另一個可以為正也可以為負(fù)的輸出端口。在此類應(yīng)用中，輸出電壓可以通過單個控制信號在從最小負(fù)值到最大正值的全部范圍內(nèi)相對于GND調(diào)節(jié)。
有些控制器專門用于實現(xiàn)雙極性
電源功能，例如雙極性輸出同步控制器LT8714。然而，對于許多
汽車和工業(yè)制造商而言，對專用IC進(jìn)行
測試和認(rèn)證需要一些時間和金錢上的投入。相比之下，許多制造商已經(jīng)擁有預(yù)認(rèn)證的降壓轉(zhuǎn)換器和控制器，因為無數(shù)
汽車和工業(yè)應(yīng)用中都會用到這些器件。本文介紹在不能選擇專用雙極性
電源IC時如何利用降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生雙極性
電源。
電路描述及功能
圖1顯示了基于降壓轉(zhuǎn)換器的雙極性（二象限）可調(diào)
電源解決方案。輸入電壓范圍為12 V至15 V；輸出為±10 V范圍內(nèi)的任何電壓，由控制塊調(diào)節(jié)，支持高達(dá)6 A的負(fù)載。雙路輸出降壓控制器IC是此設(shè)計的核心器件。每個降壓-升壓拓?fù)溥B接的一路輸出產(chǎn)生穩(wěn)定的-12 V電壓（即圖1中的-12 V負(fù)軌，其功率鏈路包括L2、Q2、Q3和輸出濾波器C
O2）。
-12 V電壓軌用作第二通道的接地，控制器的接地引腳也連接到-12 V電壓軌。總的來說，這是一個降壓轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓為-12 V和V
IN之間的差值。輸出可調(diào)，相對于GND可正可負(fù)。請注意，相對于-12 V電壓軌，輸出始終為正，其功率鏈路包括L1、Q1、Q4和C
O1。反饋電阻分壓器R
B-R
A設(shè)置最大輸出電壓。該分壓器的值由輸出電壓控制電路調(diào)節(jié)，此電路可通過向R
A注入電流來將輸出調(diào)節(jié)至最小輸出電壓（負(fù)輸出）。應(yīng)用啟動特性由RUN和TRACK/SS引腳的端接電阻設(shè)置。
兩路輸出均在強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式下工作。在輸出控制電路中，0μA至200μA電流源I
CTRL在實驗室
測試時連接到負(fù)軌，但也可以GND為基準(zhǔn)。低通濾波器R
F1-C
F可降低快速輸出瞬變。為了縮減轉(zhuǎn)換器的成本和尺寸，使用相對便宜的極化電容形成輸出濾波器。可選二極管D1和D2用于防止這些電容上產(chǎn)生反向電壓，尤其是在啟動時。如果僅使用陶瓷電容，則不需要二極管。
轉(zhuǎn)換器測試和評估
本解決方案基于LTC3892和評估套件DC1998A與DC2493A進(jìn)行過
測試和評估。該轉(zhuǎn)換器在眾多
測試中表現(xiàn)良好，包括電壓和負(fù)載調(diào)整、瞬態(tài)響應(yīng)以及輸出短路。圖2顯示了啟動至6 A負(fù)載、輸出為+10 V的情況。控制電流和輸出電壓之間的函數(shù)線性度如圖3所示。隨著控制電流從0μA增加到200μA，輸出電壓從+10 V降至-10 V。圖4顯示了效率曲線。
圖1.兩端子、雙極性、可調(diào)節(jié)電源的電氣原理圖
圖2.進(jìn)入電阻負(fù)載的啟動波形
圖3.VOUT與控制電流ICTRL的關(guān)系。當(dāng)ICTRL從0 A增加到200μA時，輸出電壓從+10 V降至-10 V。
圖4.正負(fù)輸出的效率曲線
我們開發(fā)了該雙極性、雙端子
電源的LTspice
®模型，以簡化該方法的采用，允許設(shè)計人員分析和仿真上述電路，引入變化，查看波形，以及研究器件應(yīng)力。
描述此拓?fù)涞幕竟胶捅磉_(dá)式
這種方法基于設(shè)計的降壓-升壓部分產(chǎn)生的負(fù)電壓軌V
NEG。
VNEG = VOUT + VOUT × Km (1)
其中，V
OUT為最大輸出電壓的絕對值，K
m為0.1到0.3的系數(shù)。K
m限制降壓轉(zhuǎn)換器的最小占空比。V
NEG還設(shè)置V
IN的最小值：
VIN ≥ |VNEG| (2)
VBUCK = |VNEG| + VIN
其中V
BUCK為降壓部分的輸入電壓，因而表示轉(zhuǎn)換器
半導(dǎo)體器件上的最大電壓應(yīng)力：
VBUCK(MAX) = |VNEG| + VOUT (3)
VBUCK(MIN) = |VNEG| – VOUT
V
BUCK(MAX)和V
BUCK(MIN)分別為該拓?fù)涞慕祲翰糠值淖畲蠛妥钚‰妷骸＝祲翰糠值淖畲蠛妥钚≌伎毡纫约半姼须娏骺捎靡韵卤磉_(dá)式描述，其中I
OUT為輸出電流：
DBUCK(MAX) = VBUCK(MAX) /VBUCK (4)
DBUCK(MIN) = VBUCK(MIN) /VBUCK
LBB = IOUT + Δ/1
電源降壓-升壓部分的占空比：
DBB = |VNEG|/(
VIN + |VNEG|) (5)
降壓部分的輸入功率以及相應(yīng)的降壓-升壓輸出功率：
POUT(BB) = (
VOUT × IOUT)/
η (6)
轉(zhuǎn)換器功率和輸入電流：
IOUT(BB) = POUT(BB)/
|VNEG| (7)
IL(BB) = IOUT(BB)/(1
– DBB)
+ Δ/2
輸出電壓變化是通過將電流注入降壓部分的反饋電阻分壓器來實現(xiàn)的。圖1的輸出電壓控制電路部分顯示了如何設(shè)置輸出電壓控制。
如果給定R
B，那么
PBB = POUT(BB)/
η (8)
IBB = PBB/
VIN
其中V
FB為反饋引腳電壓。
當(dāng)電流源I
CTRL將零電流注入R
A時，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓是相對于負(fù)軌的最大正值(V
BUCK(MAX))和相對于GND的最大輸出電壓(+V
OUT)。為了給負(fù)載產(chǎn)生負(fù)輸出電壓（相對于GND），須將ΔI注入降壓分壓器的電阻R
A，使輸出電壓降至相對于負(fù)輸出電壓(-V
OUT)的最小值V
BUCK(MIN)。
數(shù)值示例
通過使用前面的公式，我們可以計算雙極性
電源的電壓應(yīng)力、流過功率鏈路器件的電流以及控制電路的參數(shù)。例如，以下計算是針對一個從14 V輸入電壓產(chǎn)生6 A、±10 V輸出的
電源。
如果K
m為0.2，則V
NEG = -12 V。驗證最小輸入電壓V
IN ≥ | V
NEG |的條件。
半導(dǎo)體器件V
BUCK上的電壓應(yīng)力為26 V。
降壓部分的最大電壓為V
BUCK(MAX) = 22 V，相對于負(fù)電壓軌；輸出電壓設(shè)置為+10 V，相對于GND。最小電壓V
BUCK(MIN) = 2 V，對應(yīng)于-10 V（相對于GND）的輸出電壓。這些最大和最小電壓對應(yīng)于最大和最小占空比，D
BUCK(MAX) = 0.846，D
BUCK(MIN) = 0.077，D
BB = 0.462。
功率可通過假設(shè)效率為90%來計算，產(chǎn)生P
OUT(BB) = 66.67 W，I
OUT(BB) = 5.56 A，I
L(BB) = 10.37 A，P
BB = 74.074 W。
對于+10 V的輸出電壓（根據(jù)圖1），控制電路電流ΔI為0μA，而對于-10 V的輸出電壓，ΔI = 200μA。
結(jié)論
本文介紹了一種雙極性、雙端子
電源設(shè)計。這里討論的方法基于降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是現(xiàn)代
電源電子的主力技術(shù)，因此能以各種形式提供，從帶外部器件的簡單控制器到完整模塊應(yīng)有盡有。采用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以賦予設(shè)計人員靈活性，并且可以選擇使用預(yù)認(rèn)證器件，從而節(jié)省時間和成本。
作者簡介
Victor Khasiev，ADI公司高級應(yīng)用工程師。Victor在交流-直流和直流-直流轉(zhuǎn)換
電源電子方面擁有豐富的經(jīng)驗。他擁有兩項專利，撰寫了多篇文章。這些文章涉及ADI
半導(dǎo)體器件在
汽車和工業(yè)應(yīng)用中的使用，包括升壓、降壓、SEPIC、正到負(fù)、負(fù)到負(fù)、反激式、正激式轉(zhuǎn)換器和雙向備用
電源。他的專利與高效功率因數(shù)校正解決方案和先進(jìn)柵極驅(qū)動器有關(guān)。Victor樂于為ADI客戶提供支持，解答有關(guān)ADI產(chǎn)品的問題，排查故障，參與
測試最終系統(tǒng)，設(shè)計和驗證
電源原理圖與印刷電路板布局。
