臺式電源（PS）往往具有偶數(shù)個端子（忽略機箱端口），其中有一個正極端子和一個負極端子。使用臺式電源產(chǎn)生正極性輸出很容易：將負極輸出設(shè)置為GND，將正極輸出電壓設(shè)置為正極輸出。通過反轉(zhuǎn)設(shè)置產(chǎn)生負電源也很容易。但是，如果產(chǎn)生一個雙極性電源，負載可以同時使用正電壓和負電壓，那又如何呢？

這也相對容易-只需將一個實驗室通道的正極端子連接到另一通道的負極端子，然后將其稱為GND即可。其他兩個端子，負號和正號分別是正電源和負電源。結(jié)果是具有可用GND，正電壓和負電壓電平的三端雙極電源。由于使用了三個端子，因此必須在電源下游的正電源和負電源之間進行一些切換。

如果應(yīng)用程序要求同一電源端子為正極或負極（在僅向負載提供兩個端子的設(shè)置中），該怎么辦？這不是一個純粹的學(xué)術(shù)問題。在汽車和工業(yè)環(huán)境中，有一些應(yīng)用需要雙極可調(diào)兩端電源。例如，兩個端子雙極電源用于各種應(yīng)用，從特殊的窗口著色到測試和測量設(shè)備。

如前所述，傳統(tǒng)的雙極性PS使用三個輸出端子（正，負和GND）產(chǎn)生兩個輸出。相反，單個輸出電源應(yīng)僅配備兩個輸出端子：一個GND，另一個可以為正或負。在此類應(yīng)用中，可通過單個控制信號在從最小負值到最大正值的整個范圍內(nèi)相對于GND調(diào)節(jié)輸出電壓。有些控制器是專門為實現(xiàn)雙極性電源功能而設(shè)計的，例如LT8714，即雙極性輸出同步控制器。然而，對于許多汽車和工業(yè)制造商而言，測試和鑒定專用IC都需要一些時間和金錢上的投資。相比之下，許多制造商已經(jīng)對降壓（buck）轉(zhuǎn)換器和控制器進行了資格預(yù)審，因為它們用于無數(shù)的汽車和工業(yè)應(yīng)用。本文說明了在無法使用專用雙極性電源IC的情況下如何使用降壓轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生雙極性PS。

電路說明和功能

圖1顯示了基于降壓轉(zhuǎn)換器的雙極性（twoquadrant）可調(diào)電源解決方案。輸入電壓范圍為12 V至15 V；輸出是在±10 V范圍內(nèi)的任何電壓，由控制模塊調(diào)節(jié)，可支持高達6 A的負載。雙輸出降壓控制器IC是該設(shè)計的核心組件。每個降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)連接的一個輸出產(chǎn)生穩(wěn)定的–12 V（即，圖1中的–12 V負軌，其功率鏈包括L2，Q2，Q3和輸出濾波器CO2）。

                                圖1：兩端子，雙極性，可調(diào)電源的電氣原理圖

–12 V電源軌用作第二個通道的接地，控制器的接地引腳也連接到–12 V電源軌。總體而言，這是一個降壓型降壓轉(zhuǎn)換器，其中輸入電壓為–12 V和V IN之間的差。輸出是可調(diào)的，相對于GND可以為正或負。請注意，輸出始終相對于–12 V電源軌為正，并包括一個包含L1，Q1，Q4和C O1的動力總成。反饋電阻分壓器RB–RA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)，該電路可通過將電流注入RA來將輸出降低至最小輸出電壓（負輸出）。通過RUN和TRACK / SS引腳的終止來設(shè)置應(yīng)用程序的啟動特性。

兩個輸出均在強制連續(xù)導(dǎo)通模式下工作。在輸出控制電路中，如實驗室中測試的那樣，0 μA至200 μA電流源I CTRL連接到負軌，但也可以參考GND。低通濾波器R F1 –C F減少了快速的輸出瞬變。為了降低轉(zhuǎn)換器的成本和尺寸，使用相對便宜的極化電容器形成輸出濾波器?？蛇x的二極管D1和D2可防止在這些電容器兩端產(chǎn)生反向電壓，尤其是在啟動時。如果僅使用陶瓷電容器，則無需二極管。

轉(zhuǎn)換器測試和評估

該解決方案基于LTC3892和評估套件DC1998A和DC2493A進行了測試和評估。該轉(zhuǎn)換器在許多測試中均表現(xiàn)良好，包括線路和負載調(diào)節(jié)，瞬態(tài)響應(yīng)和輸出短路。圖2顯示啟動至6 A負載，輸出為+10V。控制電流和輸出電壓之間的函數(shù)線性關(guān)系如圖3所示。隨著控制電流從0 μA增加到200 μA，輸出電壓從+10 V減小到–10V。圖4顯示了效率曲線。

                                             圖2：進入電阻負載的啟動波形。

圖3：VOUT作為控制電流ICTRL的函數(shù)。當(dāng)ICTRL從0 A增加到200 μA時，輸出電壓從+10 V下降至–10V。

開發(fā)了雙極性，兩端電源的LTspice?模型以簡化該方法的采用，從而使設(shè)計人員能夠分析和仿真上述電路，引入變化，查看波形并研究組件應(yīng)力。

                                         圖4：正輸出和負輸出的效率曲線。

描述此拓撲的基本公式和表達式

此方法基于設(shè)計的降壓-升壓部分產(chǎn)生的負電壓軌V NEG。

VNEG=VOUT+VOUT×Km   

其中，V OUT是最大輸出電壓的絕對值，K m是介于0.1到0.3之間的系數(shù)。K m限制了降壓轉(zhuǎn)換器的最小占空比。V NEG還設(shè)置V IN的最小值：

其中V BUCK是降壓部分的輸入電壓，從而給出了轉(zhuǎn)換器半導(dǎo)體上的最大電壓應(yīng)力：

VBUCK(MAX)=|VNEG|+VOUT    (3)"

當(dāng)電流源I CTRL向R A注入零電流時，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓相對于負電源軌為最大正值（V BUCK（MAX）），相對于GND為最大輸出電壓（+ V OUT）。為了對負載產(chǎn)生一個負輸出電壓（相對于GND ），通過將ΔI注入電阻器R A中，相對于負輸出電壓（–V OUT），輸出電壓減小至最小值V BUCK（MIN）。降壓器的分壓器。

數(shù)值范例

通過使用前面的公式，我們可以計算電壓應(yīng)力，流經(jīng)動力總成組件的電流以及雙極電源的控制電路參數(shù)。例如，以下計算是針對從14 V輸入電壓在6 A下產(chǎn)生±10 V的電源的。

如果K m為0.2，則V NEG = –12V。最小輸入電壓V IN的驗證條件≥| V NEG |。半導(dǎo)體的V BUCK上的電壓應(yīng)力為26V。

相對于負軌，降壓部分的最大電壓為V BUCK（MAX） = 22 V，相對于GND設(shè)置輸出電壓+10V。最小電壓V BUCK（MIN） = 2 V，對應(yīng)于相對于GND的–10 V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。

可以通過假設(shè)效率為90％，產(chǎn)生P OUT（BB） = 66.67 W，I OUT（BB） = 5.56 A，I L（BB） = 10.37 A和P BB = 74.074 W來計算功率。

對于+10 V的輸出電壓（如圖1所示），控制電路電流ΔI為0 μA，而對于–10 V的輸出電壓，ΔI= 200 μA。

結(jié)論

本文提出了一種雙極性，兩端子電源的設(shè)計。此處討論的方法基于降壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，這是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，因此可以采用多種形式使用，從帶有外部組件的簡單控制器到完整的模塊。采用降壓拓撲結(jié)構(gòu)可以使設(shè)計人員具有靈活性，并可以選擇使用經(jīng)過預(yù)認證的零件，從而節(jié)省了時間和成本。

關(guān)于作者

Victor Khasiev是ADI的高級應(yīng)用工程師。Victor在交流至直流和直流至直流轉(zhuǎn)換的電力電子領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗。他擁有兩項專利，并撰寫了多篇文章。他的專利涉及高效的功率因數(shù)校正解決方案和先進的柵極驅(qū)動器。Victor很樂意為ADI客戶提供支持：回答有關(guān)ADI產(chǎn)品，電源原理圖的設(shè)計和驗證以及印刷電路板布局的問題；故障排除; 并參與測試最終系統(tǒng)。