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

有很多傳統方法可為負載提供雙極性電壓 / 電流。H 橋式設計經(jīng)常使用，但是要求負載的兩個(gè)端子均不能直接接地。負載的兩個(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 )給負載串聯(lián)一個(gè)電感器。負載不能直接接地可能使整個(gè)系統的機械及電氣設計復雜化。H 橋式方法還需要 4 個(gè)開(kāi)關(guān)組件和更加復雜的控制方法。有些負載有負端子，這種端子不能施加高偏壓 (相對于地)，例如：FPGA 反向偏壓應用。

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

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

四象限 DC/DC 轉換器

圖 1 顯示了這種 4 象限轉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)調制 MN 的占空比。

圖 1：四象限 DC/DC 轉換器拓撲

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

從這個(gè)等式中可以清楚地看出，在 V_IN 電壓為正時(shí)，輸出電壓 V_OUT 可以為正 (最高為 V_IN) 或負 (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，因為在這個(gè)工作點(diǎn)上，該轉換器 DC 的占空比為 50%。

無(wú)論輸出電壓是什么極性，該轉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 象限工作的拓撲。MN 和 MP 上的最高漏極至源極電壓均為 2V_IN – V_OUT。例如，如果 V_IN 為 +12V，V_OUT 為 -12V，那么兩個(gè) FET 的 BVDSS 額定值必須都高于 36V。

四象限拓撲中的 LT8710

凌力爾特公司不久前推出的控制器 LT8710 可用于 4 象限拓撲。圖 2 顯示了一個(gè)配置為這種拓撲的完整電路，該電路已經(jīng)過(guò)全面測試。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 范圍內可調，輸出電流可達 ±3A。模擬控制信號 V_CNTL 用來(lái)調節輸出電壓。LT8710 是一款 80V 控制器，因此可用來(lái)構成提供更高或更低電壓及電流的其他很多版本之 4 象限轉換器。

圖 2：用 LT8710 構成的 4 象限轉換器

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

圖 3：正弦波輸出電壓穿過(guò) 0V

應用

有很多應用可以利用這種 4 象限 DC/DC 轉換器。在高性能數字電路中 (比如 FPGA)，體反向偏壓可用于顯著(zhù)降低靜態(tài)功耗，同時(shí)保持或改善動(dòng)態(tài)性能。PMOS 和 NMOS 器件的體電壓可獨立控制以調節器件的門(mén)限 (VT)。當 FPGA 要求較低時(shí)，可將門(mén)限調節得較高，從而顯著(zhù)地降低這些數字構件中的泄漏電流。當 FPGA 要求較高時(shí)，可以降低門(mén)限，從而提高速度，并因此提高 FPGA 性能。圖 4 顯示了一個(gè)這種應用的高級方框圖。請注意，對于 NMOS 體偏置，電壓通常為 0V±300mV，這非常適合于四象限拓撲。

圖 4：FPGA體偏置應用

可從 4 象限拓撲受益的另一種應用是 DC 電動(dòng)機驅動(dòng)器。在很多情況下，DC 電動(dòng)機需要速度調節以及反向能力。用于 4 象限轉換器的 LT8710 能夠同時(shí)滿(mǎn)足這兩種要求。圖 5 顯示了一個(gè)這類(lèi)應用。請注意，DC 電動(dòng)機的負端可以簡(jiǎn)單地連接至地，而正端可在正和負 10V 之間調節。與 DC 電動(dòng)機驅動(dòng)應用類(lèi)似，4 象限拓撲還能用來(lái)驅動(dòng)熱電冷卻器 (TEC)、音頻揚聲器以及其他很多應用。 

圖 5：驅動(dòng)方向可反轉的 DC 電動(dòng)機驅動(dòng)器

結論

用于 4 象限 DC/DC 轉換器拓撲的 LT8710 是一款強大的電路器件，能產(chǎn)生正和負輸出電壓以及正和負輸出電流。與輸出串聯(lián)的電感器 (圖 2 中的 L2) 降低了輸出電壓紋波。產(chǎn)生接近地的輸出電壓之過(guò)程也得到了簡(jiǎn)化，因為在這種情況下，占空比接近 50%。很多應用可受益于這一電路，包括但不限于 FPGA體偏置、DC 電動(dòng)機驅動(dòng)、熱電冷卻器以及音頻驅動(dòng)器。