在電子電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，尤其是雙極性電源的產(chǎn)生，它能讓負(fù)載同時(shí)使用正電壓和負(fù)電壓。本文將深入探討如何產(chǎn)生雙極性電源，以及相關(guān)電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

雙極性電源的基本產(chǎn)生方式

臺(tái)式電源（PS）通常有偶數(shù)個(gè)端口（忽略機(jī)箱端口），包括一個(gè)正端口和一個(gè)負(fù)端口。利用臺(tái)式電源產(chǎn)生正極性輸出很容易，只需將負(fù)輸出設(shè)置為 GND，將正輸出電壓設(shè)置為所需的正輸出值；產(chǎn)生負(fù)電源則將上述設(shè)置反轉(zhuǎn)即可。然而，要產(chǎn)生能讓負(fù)載同時(shí)使用正電壓和負(fù)電壓的雙極性電源，方法是將一個(gè)實(shí)驗(yàn)室通道的正端口連接到另一個(gè)通道的負(fù)端口，并將其稱(chēng)為 GND，另外兩個(gè)端口（正和負(fù)）分別作為正負(fù)電源，這樣就得到一個(gè)三端口雙極性電源，可提供 GND、正和負(fù)電壓電平。不過(guò)，由于使用了三個(gè)端口，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。

特殊應(yīng)用需求下的電源設(shè)計(jì)

在汽車(chē)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，即同一電源端口要能為正或負(fù)（僅向負(fù)載提供兩個(gè)端口的設(shè)置）。傳統(tǒng)雙極性電源使用三個(gè)輸出端口產(chǎn)生兩路輸出：正、負(fù)和 GND；而單路輸出電源應(yīng)僅配備兩個(gè)輸出端口，一個(gè) GND 和另一個(gè)可以為正也可以為負(fù)的輸出端口。在此類(lèi)應(yīng)用中，輸出電壓可以通過(guò)單個(gè)控制信號(hào)在從負(fù)值到正值的全部范圍內(nèi)相對(duì)于 GND 調(diào)節(jié)。雖然有些控制器專(zhuān)門(mén)用于實(shí)現(xiàn)雙極性電源功能，例如雙極性輸出同步控制器 LT8714，但對(duì)于許多汽車(chē)和工業(yè)制造商而言，對(duì)專(zhuān)用 IC 進(jìn)行測(cè)試和需要投入一定的時(shí)間和金錢(qián)。而許多制造商已經(jīng)擁有預(yù)的降壓轉(zhuǎn)換器和控制器，因此利用降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生雙極性電源是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

基于降壓轉(zhuǎn)換器的雙極性電源電路設(shè)計(jì)

圖 1 展示了基于降壓轉(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 12V 至 15V，輸出為 ±10V 范圍內(nèi)的任何電壓，由控制塊調(diào)節(jié)，支持高達(dá) 6A 的負(fù)載。雙路輸出降壓控制器 IC 是此設(shè)計(jì)的器件。每個(gè)降壓–升壓拓?fù)溥B接的一路輸出產(chǎn)生穩(wěn)定的 -12V 電壓（即圖 1 中的 -12V 負(fù)軌，其功率鏈路包括 L2、Q2、Q3 和輸出濾波器 CO2）。-12V 電壓軌用作第二通道的接地，控制器的接地引腳也連接到 -12V 電壓軌。總的來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓為 -12V 和 VIN 之間的差值。輸出可調(diào)，相對(duì)于 GND 可正可負(fù)。反饋電阻分壓器 RB–RA 設(shè)置輸出電壓，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(guò)向 RA 注入電流來(lái)將輸出調(diào)節(jié)至輸出電壓（負(fù)輸出）。應(yīng)用啟動(dòng)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 ICTRL 在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)連接到負(fù)軌，但也可以 GND 為基準(zhǔn)。低通濾波器 RF1–CF 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(duì)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(dòng)時(shí)。如果僅使用陶瓷電容，則不需要二極管。

轉(zhuǎn)換器測(cè)試與評(píng)估

本解決方案基于 LTC3892 和評(píng)估套件 DC1998A 與 DC2493A 進(jìn)行過(guò)測(cè)試和評(píng)估。該轉(zhuǎn)換器在眾多測(cè)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(dòng)至 6A 負(fù)載、輸出為 +10V 的情況?？刂齐娏骱洼敵鲭妷褐g的函數(shù)線(xiàn)性度如圖 3 所示，隨著控制電流從 0μA 增加到 200μA，輸出電壓從 +10V 降至 -10V。圖 4 顯示了效率曲線(xiàn)。為了簡(jiǎn)化該方法的采用，開(kāi)發(fā)了該雙極性、雙端子電源的 LTspice? 模型，允許設(shè)計(jì)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。

相關(guān)公式與數(shù)值示例

這種方法基于設(shè)計(jì)的降壓–升壓部分產(chǎn)生的負(fù)電壓軌 VNEG。通過(guò)一系列公式可以計(jì)算雙極性電源的電壓應(yīng)力、流過(guò)功率鏈路器件的電流以及控制電路的參數(shù)。例如，對(duì)于一個(gè)從 14V 輸入電壓產(chǎn)生 6A、±10V 輸出的電源，如果 Km 為 0.2，則 VNEG = –12V。驗(yàn)證輸入電壓 VIN ≥|VNEG | 的條件，半導(dǎo)體器件 VBUCK 的電壓應(yīng)力為 26V。降壓部分的電壓為 VBUCK (MAX) = 22V，相對(duì)于負(fù)電壓軌；輸出電壓設(shè)置為 +10V，相對(duì)于 GND。電壓 VBUCK (MIN) = 2V，對(duì)應(yīng)于 -10V（相對(duì)于 GND）的輸出電壓。這些和電壓對(duì)應(yīng)于和占空比，DBUCK (MAX) = 0.846，DBUCK (MIN) = 0.077，DBB = 0.462。功率可通過(guò)假設(shè)效率為 90% 來(lái)計(jì)算，產(chǎn)生 POUT (BB) = 66.67W，IOUT (BB) = 5.56A，IL (BB) = 10.37A，PBB = 74.074W。對(duì)于 +10V 的輸出電壓，控制電路電流?I 為 0μA，而對(duì)于 -10V 的輸出電壓，?I = 200μA。

綜上所述，基于降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙極性、雙端子電源設(shè)計(jì)，作為現(xiàn)代電源電子的主力技術(shù)，能以各種形式提供，從帶外部器件的簡(jiǎn)單控制器到完整模塊應(yīng)有盡有。采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以賦予設(shè)計(jì)人員靈活性，并且可以選擇使用預(yù)器件，從而節(jié)省時(shí)間和成本。

圖 1. 兩端子、雙極性、可調(diào)節(jié)電源的電氣原理圖