【導讀】有時(shí)候您需要正電源，但大部分可用的供電軌（或僅有的可用供電軌）提供的都是負電源。事實(shí)上，負到正電壓轉換已用于汽車(chē)電子，以及各種音頻放大器、工業(yè)和測試設備的偏置電路中。雖然在許多系統中是電源通過(guò)相對于地的負供電軌分配，但這些系統中的邏輯板、ADC、DAC、傳感器和類(lèi)似器件仍然需要一個(gè)或多個(gè)正供電軌。本文介紹一種簡(jiǎn)單高效且組件數量少的電路，用于從負供電軌生成正電壓。
電路描述和電驅動(dòng)系統功能
圖1顯示將負電壓高效轉化為正電壓的完整解決方案。這種特定的解決方案使用升壓拓撲。電驅動(dòng)系統包括開(kāi)關(guān)MOSFET、底部Q1、頂部Q2、電感L1和輸入/輸出濾波器。同步高效升壓控制器IC通過(guò)改變電驅動(dòng)系統中開(kāi)關(guān)MOSFET的狀態(tài)來(lái)調節輸出電壓。為了描述這種電路，將系統接地(SYS_GND)用作極性參考，得到一個(gè)相對于SYS_GND為負的輸入供電軌(–VIN)和一個(gè)相對于SYS_GND為正的輸出供電軌(+VOUT)。
轉換器的工作方式如下。如果晶體管Q1開(kāi)啟，電流從SYS_GND流向負供電軌。晶體管Q2關(guān)閉，電感L1將電能存儲在其磁場(chǎng)中。在開(kāi)關(guān)周期的剩余時(shí)間里，Q1關(guān)閉，Q2開(kāi)啟，電流開(kāi)始從SYS_GND流向+VOUT供電軌，將L1電能釋放給負載。
圖1.負正轉換器電氣原理圖，VIN為–6 V至–18 V（峰值為–24 V），6 A時(shí)VOUT為+12 V。
電驅動(dòng)系統組件選擇的基本表達
圖2所示的開(kāi)關(guān)行為拓撲關(guān)系圖描述了負正轉換器的行為。在開(kāi)關(guān)周期的首個(gè)區間，在占空比定義的時(shí)長(cháng)內，底部開(kāi)關(guān)BSW短路，頂部開(kāi)關(guān)TSW斷開(kāi)。電感電壓L等于–VIN。在此區間內，電感L中的電流增加，在電感兩端生成電壓極性匹配–VIN。與此同時(shí)，輸出濾波器電容放電，為系統負載提供電流。
圖2.負到正轉換器拓撲關(guān)系圖。
在周期的第二個(gè)區間，兩個(gè)開(kāi)關(guān)切換，BSW斷開(kāi)，TSW短路。電感L的極性改變，電感開(kāi)始向負載和輸出濾波電容器COUT提供（在周期的第一個(gè)區間內儲存的）電流。在這段周期內，電感的電流相應降低。電感的伏秒平衡定義轉換器在連續導通模式下的占空比D。
計算時(shí)序和組件應力
以下是描述時(shí)序和電驅動(dòng)系統組件應力的公式。
占空比決定開(kāi)關(guān)的開(kāi)/關(guān)時(shí)間
輸入電流IOUT的平均值就是輸入電流
電感電流的峰值
開(kāi)關(guān)MOSFET上的電壓應力
通過(guò)底部MOSFET的平均電流
通過(guò)頂部MOSFET的平均電流
這些表達公式可以幫助您理解拓撲的功能，并初步選擇電驅動(dòng)系統組件。關(guān)于最終選擇和詳細的設計，請使用LTspice®建模和模擬工具。1
轉換器控制描述和功能
輸出電壓檢測和控制電壓的電平轉換通過(guò)由PNP晶體管Q3和Q4形成的電流鏡管控。反饋電流IFB在此電路中為1 mA）決定反饋回路中的電阻值。
其中VC為誤差放大器的基準電壓。
其中RFB(T)為輸出電壓檢測電阻。
圖1所示的反饋電路是一種低成本解決方案，但分立式晶體管的容差可能會(huì )受基極發(fā)射極電壓和溫度變化差值影響。為了提高精度，可以使用配對的晶體管。
轉換器電驅動(dòng)系統由LTC7804升壓控制器管控。之所以選擇該芯片，是因為它支持同步整流，易于實(shí)現，可以提供高開(kāi)關(guān)頻率操作（如果需要小尺寸電感）和低靜態(tài)電流，因而具有高效率。
測試結果和拓撲限制
此解決方案經(jīng)過(guò)了仔細測試和驗證。圖3顯示在各種負載電流下都能保持高效率，達到96%。注意，隨著(zhù)輸入電壓絕對值減小，輸入電流和電感電流增大。在某個(gè)點(diǎn)，電感電流可能會(huì )超過(guò)電感的最大電流或飽和電流。從圖4的降額曲線(xiàn)可以明顯看出。在–9 V到–18 V范圍內，最大負載電流為6 A，輸入電壓絕對值低于–9 V時(shí)，該值更小。圖6解決方案電路板的熱性能見(jiàn)圖5。
圖3.在自然對流冷卻情況下，VIN為–12 V和–18 V時(shí)的效率曲線(xiàn)。
圖4.輸入電壓絕對值低于–9 V時(shí)的輸出電流降額曲線(xiàn)。
圖5.在自然對流冷卻、沒(méi)有空氣流動(dòng)的情況下，VIN為–12 V，VOUT為+12 V，電流為6 A時(shí)，轉換器的熱圖像。
圖6.轉換器照片。
結論
本文介紹一種非常高效且相對簡(jiǎn)單的完整解決方案設計，通過(guò)使用升壓控制器可以為單極性負電源添加正電軌。文中提供了電氣原理圖，以及時(shí)序、功率轉換組件和電氣應力方面的計算。測試數據證實(shí)該系統具備高效率和出色的熱性能。此外，此解決方案采用升壓拓撲，因而設計人員可以選擇使用預認證的升壓控制器，從而節省開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。而證實(shí)升壓控制器適用于負正電壓轉換器也預示著(zhù)它適合未來(lái)的升壓應用。
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