在很多電子系統(tǒng)中，有必要為特定類型負(fù)載提供雙極性(正和負(fù))電壓或電流。需要雙極性電壓/電流的負(fù)載包括FPGA體偏置應(yīng)用、熱電冷卻器、DC電動(dòng)機(jī)以及其他很多類型的應(yīng)用。

有很多傳統(tǒng)方法可為負(fù)載提供雙極性電壓/電流。H橋式設(shè)計(jì)經(jīng)常使用，但是要求負(fù)載的兩個(gè)端子均不能直接接地。負(fù)載的兩個(gè)端子均須在正電源軌和地之間擺動(dòng)，為了濾除這種斬波波形，通常會(huì)給負(fù)載串聯(lián)一個(gè)電感器。負(fù)載不能直接接地可能使整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械及電氣設(shè)計(jì)復(fù)雜化。H橋式方法還需要4個(gè)開(kāi)關(guān)組件和更加復(fù)雜的控制方法。有些負(fù)載有負(fù)端子，這種端子不能施加高偏壓(相對(duì)于地)，例如：FPGA反向偏壓應(yīng)用。

另一種傳統(tǒng)方法是建立兩個(gè)電源軌，一個(gè)正軌和一個(gè)負(fù)軌。人們使用各種不同的電路在穩(wěn)壓的正或負(fù)軌中“進(jìn)行掉換”，以實(shí)現(xiàn)電壓可低于地的雙極性工作。這導(dǎo)致一種非常復(fù)雜的系統(tǒng)，一般而言效率較低，而且當(dāng)輸出電壓跨越地電位時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非線性響應(yīng)。

本文給出一種新的DC/DC開(kāi)關(guān)架構(gòu)，該架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的4象限工作，這意味著，輸出電壓可以為正或負(fù)，電流也可以在兩個(gè)方向上流動(dòng)。此外，這種新架構(gòu)產(chǎn)生的輸出電壓能夠從一種極性向另一種極性、穿過(guò)地電位平滑轉(zhuǎn)換，而且這種轉(zhuǎn)換模式不產(chǎn)生任何非線性問(wèn)題。

四象限D(zhuǎn)C/DC轉(zhuǎn)換器

圖1顯示了這種4象限轉(zhuǎn)換器的基本連接和組件。NFET (MN)和PFET (MP)之間在反相以及恒定開(kāi)關(guān)頻率工作。電流模式控制(圖中未顯示)在需要時(shí)用來(lái)調(diào)制MN的占空比。

　　圖1：四象限D(zhuǎn)C/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/span>

　　如果我們假定，該電路以固定頻率工作，那么MN接通時(shí)間的占空比可以計(jì)算如下：

從這個(gè)等式中可以清楚地看出，在VIN電壓為正時(shí)，輸出電壓VOUT可以為正(最高為VIN)或負(fù)(僅受實(shí)際DC因素的限制)，也可以為0V.實(shí)際上，0V輸出電平并沒(méi)什么特殊之處，因?yàn)樵谶@個(gè)工作點(diǎn)上，該轉(zhuǎn)換器DC的占空比為50%.

無(wú)論輸出電壓是什么極性，該轉(zhuǎn)換器的輸出都可以吸收或提供電流，從而使這個(gè)電路成為真正以4象限工作的拓?fù)洹N和MP上的最高漏極至源極電壓均為2VIN– VOUT.例如，如果VIN為+12V，VOUT為-12V，那么兩個(gè)FET的BVDSS額定值必須都高于36V.

四象限拓?fù)渲械腖T8710

凌力爾特公司不久前推出的控制器LT8710可用于4象限拓?fù)洹D2顯示了一個(gè)配置為這種拓?fù)涞耐暾娐?，該電路已?jīng)過(guò)全面測(cè)試。這個(gè)電路的輸入電壓典型值為12V，但是允許范圍為11V至13V.輸出在+5V至-5V范圍內(nèi)可調(diào)，輸出電流可達(dá)±3A.模擬控制信號(hào)VCNTL用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。LT8710是一款80V控制器，因此可用來(lái)構(gòu)成提供更高或更低電壓及電流的其他很多版本之4象限轉(zhuǎn)換器。

圖2：用LT8710構(gòu)成的4象限轉(zhuǎn)換器

該轉(zhuǎn)換器的4象限工作能力如圖3所示。其中，正弦曲線控制信號(hào)用來(lái)產(chǎn)生以0V為中心的正弦曲線輸出電壓。電感器電流可為正或負(fù)，無(wú)論是正是負(fù)，都必須讓輸出電壓達(dá)到所要求的值。這些工作波形顯示，該轉(zhuǎn)換器可干凈、平滑地穿越地電位工作。使用正弦波控制信號(hào)是一種隨意選擇，DC信號(hào)、方波信號(hào)或其他任何類型的信號(hào)都可以使用。

圖3：正弦波輸出電壓穿過(guò)0V