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如何配置降压转换器实现多输出

发布时间:2018-03-05 来源:瑞萨电子 责任编辑:lina

【导读】电源电路采用电压步升(boost)或更常见的电压步降(buck) DC/DC转换器形式。现在很多应用都需要多个电压轨来驱动各种 IC。这些电压轨可以是反相或非反相、有隔离或没有隔离。尽管设计工程师一般使用多个降压转换器和单个滤波电感器,但是这种做法增加了成本、占位面积和厚度。


有一种更简单的方法是,采用单个降压转换器和耦合电感器或变压器,将其配置为隔离式转换器拓扑。设计工程师可以使用降压转换器提供反相或非反相电压轨,可以将其配置为反相降压-升压转换器使用。耦合电感或变压器也可与降压-升压转换器一起使用,以生成具有升压/降压功能的多个反相或非反相输出。
 
本文将重点讨论各种隔离式/非隔离式 DC/DC转换器拓扑,并展示如何用单个同步降压转换器实现这些拓扑。我们还将探讨其他拓扑,并展示这些拓扑是如何适合各种应用的。
 
 
隔离降压
 
A. +/-降压输出
 
B. +/+降压输出
 
C. +/+/-降压输出
 
反相降压-升压(步升然后步降)输出
 
隔离式+/-降压-升压输出
 
三种DC/DC转换器拓扑
 
基于单个降压转换器生成各种转换器拓扑的优点是,不需要光耦合器及其相关电路。这可以缩小占板面积、减少元件数量、降低复杂度和成本。除了生成多个输出,降压转换器还可配置成反相降压-升压转换器,本质上提供了升压功能。此外,设计工程师还可以利用类似概念,创建隔离式降压-升压转换器。
 
 
1.  隔离式降压拓扑

A. +/- 降压输出:电路运行
 
用一个隔离式降压拓扑,可以生成反相和非反相降压输出。图1显示了这种拓扑如何为需要一个正电源和一个负电源的应用提供+/-输出轨。              
 
 
图1. 同步降压稳压器利用隔离式降压拓扑生成± Vout轨
 
参照图1,主和次级输出由下列方程式给出,假定耦合电感或变压器的漏感和绕组的DC电阻可以忽略不计:
 
 
其中VIN是输入电压,VO1和VO2分别是主和次级输出,D是占空比,N是变压器匝数比,是二极管的正向压降。
 
在高压侧开关接通的周期中(图1中绿色箭头指示的电流),主电流斜坡上升,并将电量储存在变压器的磁化电感和主输出电容器中。二次侧的二极管反向偏置,二次侧的负载电流由输出电容器提供。
 
在低压侧开关接通的周期中(图1中红色箭头指示的电流),主电流斜坡下降,并释放变压器磁化电感中存储的能量,一次侧负载电流由输出电容器提供。二次侧的二极管正向偏置,电流从变压器流出供给负载,为二次侧输出电容器充电。在稳定状态下,假定二极管压降、变压器绕组电阻和漏感可忽略不计,二次侧输出电压与主输出电压成反比。图2显示了ISL85413 DEMO3Z +/-输出隔离降压演示电路板的工作波形。
 
 
图2. ISL85413DEMO3Z在VIN=9V、VO1=VO2=5V、IO1=IO2=100mA时的工作波形
 
B. +/+降压输出
 
仍然运用通过耦合电感器或变压器生成次级输出这个概念,但二次侧可以按不同方式配置,以生成正或负的次级电压。为了生成正次级输出,要将变压器/耦合电感器和二次侧二极管的极性反过来。图3显示了隔离式降压拓扑生成两个+VOUT轨。
 
 
图3.生成两个+ VOUT轨的隔离式降压拓扑(ISL85415DEMO2Z)
 
C. +/+/-降压输出
 
图4显示了生成3个输出(2个+VOUT和1个-VOUT轨)的隔离式降压拓扑。+/+/- 隔离降压演示电路板ISL854102DEMO2Z可用来展示这种拓扑。就多输出配置而言,必须考虑不同输出反射到一次侧的总电流,以确保该IC能够处理所生成的电流。
 
 
图4. 生成3个输出的隔离式降压拓扑:2个+VOUT和1个-VOUT轨(ISL854102DEMO2Z)
 
针对以上电路的方程式如下:
 
 
其中VO1是主输出,VO2和VO3分别是正和负次级输出,D是占空比,N1和N2分别是与VO2和VO3对应的变压器的匝数比。Vdiode是二极管的正向压降,IOUT1、IOUT2和IOUT3分别是由VO1、VO2和VO3生成的输出电流,Ids_pk是通过顶部开关的峰值电流,△i是主电感器纹波电流的三角部分。
 
2.  反相降压-升压(步升-步降)拓扑
 
可以从同步降压转换器派生出反相降压-升压转换器,连接方式为,将GND端子作为降压-升压转换器反相输出、将降压转换器的VOUT端子作为降压-升压转换器的GND。图5是将ISL85415降压转换器配置成反相降压-升压转换器的电路框图。
 
 
图5. 将ISL85415降压转换器配置成反相降压-升压转换器
 
输出电压和输出电流的方程式如下:
 
 
其中,VIN是输入电压,VO1是输出电压,D是占空比,IOUT是输出电流,IL是电感器电流。
 
在高压侧开关接通的周期中(图5中绿色箭头指示电流),电感器电流斜坡上升,将能量储存在电感器中,输出电容器向负载提供电流。在低压侧开关接通的周期中(图5中红色箭头指示电流),电感器电流斜坡下降,向负载提供电流,并为输出电容器充电。ISL85415EVAL2Z反相降压-升压电路板的工作波形如图6所示。
 
 
图6. ISL85415EVAL2Z在VIN=12V、VO=-5V、IO=-300mA时的工作波形
 
3.  隔离式降压-升压拓扑:+/- 输出
 
可以采用隔离式降压-升压拓扑实现±升压/降压输出电压。滤波电感器可以用变压器(或耦合电感器)代替,以得到正次级输出。图7显示了生成±升压/降压VOUT轨的隔离式降压-升压拓扑。图8显示了ISL854102DEMO3Z隔离式降压-升压稳压器电路板的工作波形。
 
 
图7. 隔离式降压-升压拓扑生成±VOUT轨
 
以上电路的电压和电流方程式如下:
 
 
其中VIN是输入电压,VO2是次级输出电压,Vdiode是二极管正向压降,D是占空比,N是变压器匝数比,Ids_pk是通过顶部开关的峰值电流,△i是主电感器纹波电流的三角部分,IOUT1和IOUT2分别是由VO1和VO2,生成的输出电流。
 
 
图8. ISL854102DEMO3Z在VIN=24V、VO1=VO2=5V、IO1=500mA、IO2=500mA时的工作波形
 
其他可能的隔离式降压转换器配置
 
堆叠正输出
 
在图3中,我们展示了一种双正输出的拓扑。要生成倍压器或2个不同的正电压,次级输出的负端子可以连接到正主输出上,如图9所示。
 
 
图9. 堆叠正输出转换器拓扑

双稳压和单个非稳压的正输出
 
低压差(LDO)稳压器可用来生成双稳压输出。图10显示了生成双稳压和单个非稳压正输出的配置。在这个配置中,次级侧的输出通过电阻分压器将次级输出连接到反馈来调节。 主输出电压使用LDO调节。
 
 
图10. 使用额外的LDO实现双稳压输出

适用于隔离式拓扑或其他降压转换器配置的应用
 
电气隔离和多输出应用在各种电源电子电路应用中很常见,如:电信,工业可编程逻辑控制器(PLC),工厂自动化,隔离式通信接口(即RS-485、RS-232),用于栅极驱动、传感器、运算放大器、电机驱动应用的偏置电源,以及需要正和负电压轨的任何应用。本节重点讨论几种应用,并解释如何运用各种拓扑。
 
1.放大器电源
 
双电源放大器比较常见,因为它效率更高,能够在不导致DC损耗的前提下复制输入波形。图11A显示了具有±12V轨的音频放大器,图11B显示了具有±5V轨的运算放大器。
 
 
 
 
图11A. 具有±12V轨的音频放大器
 
图11B. 具有±5V轨的运算放大器
 
为这类应用选择合适的拓扑时,需要考虑输入电压。例如,为以±12V轨运行的音频放大器供电,如果输入电源轨是24V,就选择隔离式降压拓扑。如果使用12V电池,就可以用反相降压-升压拓扑,以生成负压轨。如果使用5V USB、12V电池或绿色能源供电的系统,就应该采用隔离式降压-升压拓扑。图12说明了如何用各种拓扑给音频放大器供电。
 
 
 
图12A. 用隔离式降压拓扑提供24V输入电源
 
 
图12B. 输入电源为12V电池时,用反相降压-升压拓扑生成负压轨
 
 
图12C. 输入电源为5V USB或12V电池时,采用隔离式降压-升压拓扑
 
类似地,对以下应用中一些既需要正压轨、又需要负压轨的应用而言,根据不同输入电源轨,可以分别使用图12A、12B和12C所示的3种拓扑。
 
2.    IGBT栅极驱动偏置
 
隔离式栅极驱动器一般用于大功率逆变器应用,包括UPS系统、电机控制、高密度放电(HID)灯镇流器和感应加热。其他应用包括AC和DC变速驱动、工业/太阳能逆变器和伺服驱动。图13显示了使用隔离式降压转换器的具有IGBT栅极驱动偏置的3相逆变器。
 
 
图13. 使用隔离式降压转换器、具有隔离式IGBT栅极驱动偏置的3相逆变器
 
3.    采用各种接口标准的线路驱动器、接收器/转换器/缓冲器
 
现在的电信和数据通信系统采用了各种接口标准。例如,射极耦合逻辑(ECL)、共模逻辑(CML)、低电压差分信号(LVDS)等,这些接口标准用在图形显示接口、通信设备的移动/服务器芯片组、消费类和移动应用中。类似扇出缓冲器、时钟驱动器、接收器等器件常常需要反相和非反相电源轨。
 
线路驱动器是用来驱动负载的电子放大器电路,如传输线。常常使用差分信号电路,因为这类电路抗噪声性能较高,能够更可靠地携带高比特率的信号,因此需要非反相和反相电源轨。
 
图14显示了LVDS/PECL驱动器至CML接收器接口的框图。
 
 
图14. LVDS/PECL驱动器至CML接收器接口的框图
 
4.   工业自动化系统
 
可编程逻辑控制器(PLC)常常用在工业自动化系统中,用来控制制造流程。PLC由几种硬件系统元件组成,需要不同的电源轨。图15显示了PLC各种硬件构件的电源树。
 
 
图15. PLC各种硬件构件的电源树
 
应用总结
 
正如以上讨论的,根据不同的输入电压轨,设计工程师可以选择不同的拓扑,来提供适用于各种应用的电源轨。表1总结了适合不同应用的拓扑。
 
 
表1.适合不同应用的拓扑总结
 
结论
 
在本文中,我们展示了如何通过不同的电路配置,用同步降压转换器生成多个输出和反相输出。我们也为各种拓扑推荐了适合的应用。用一个同步降压转换器代替不同类型的转换器,帮助新手和专家级电源设计师简化了电源设计。这种做法还缩小了解决方案占板面积、降低了电路复杂性和物料成本并缩短了产品上市时间。



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