四象限DC/DC开关稳压器实现从正至负输出电压的平滑转换以满足FPGA和其他应用需要 开关稳压器, 电子

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关键字：开关稳压器   DC/DC   四象限转换器   FPGA  
一款四象限 DC/DC 开关稳压器可实现从正至负输出电压的平滑转换以满足 FPGA 和其他应用的需要

引言

在很多电子系统中，有必要为特定类型负载提供双极性 (正和负) 电压或电流。需要双极性电压/电流的负载包括 FPGA体偏置应用、热电冷却器、DC 电动机以及其他很多类型的应用。

有很多传统方法可为负载提供双极性电压/电流。H 桥式设计经常使用，但是要求负载的两个端子均不能直接接地。负载的两个端子均须在正电源轨和地之间摆动，为了滤除这种斩波波形，通常会给负载串联一个电感器。负载不能直接接地可能使整个系统的机械及电气设计复杂化。H 桥式方法还需要 4 个开关组件和更加复杂的控制方法。有些负载有负端子，这种端子不能施加高偏压 (相对于地)，例如：FPGA 反向偏压应用。

另一种传统方法是建立两个电源轨，一个正轨和一个负轨。人们使用各种不同的电路在稳压的正或负轨中“进行掉换”，以实现电压可低于地的双极性工作。这导致一种非常复杂的系统，一般而言效率较低，而且当输出电压跨越地电位时，会产生非线性响应。

本文给出一种新的 DC/DC 开关架构，该架构能够实现真正的 4 象限工作，这意味着，输出电压可以为正或负，电流也可以在两个方向上流动。此外，这种新架构产生的输出电压能够从一种极性向另一种极性、穿过地电位平滑转换，而且这种转换模式不产生任何非线性问题。

四象限 DC/DC 转换器

图 1 显示了这种 4 象限转换器的基本连接和组件。NFET (MN) 和 PFET (MP) 之间在反相以及恒定开关频率工作。电流模式控制 (图中未显示) 在需要时用来调制 MN 的占空比。



图 1：四象限 DC/DC 转换器拓扑


如果我们假定，该电路以固定频率工作，那么 MN 接通时间的占空比可以计算如下：





从这个等式中可以清楚地看出，在 VIN电压为正时，输出电压 VOUT可以为正 (最高为 VIN) 或负 (仅受实际 DC 因素的限制)，也可以为 0V。实际上，0V 输出电平并没什么特殊之处，因为在这个工作点上，该转换器 DC 的占空比为 50%。

无论输出电压是什么极性，该转换器的输出都可以吸收或提供电流，从而使这个电路成为真正以 4 象限工作的拓扑。MN 和 MP 上的最高漏极至源极电压均为 2VIN– VOUT。例如，如果 VIN为 +12V，VOUT为 -12V，那么两个 FET 的 BVDSS 额定值必须都高于 36V。