为单极性负电源增加一个高效的正电源轨

有时您需要正电源，而最可用的电源轨（或仅可用电源轨）是负电源轨。事实上，负向正电压转换用于汽车电子，以及各种音频放大器的偏置电路，以及工业和测试设备。尽管许多系统中的功率通过负电源轨（相对于接地轨）分配，但其中的逻辑板、ADC、DAC、传感器和类似器件仍然需要一个或多个正电源轨。本文介绍一种简单、元件数量少、高效的电路，用于从负电源轨产生正电压。

电路描述和动力传动系功能

图1显示了将负电压高效转换为正电压的完整解决方案。此特定解决方案使用升压拓扑。动力传动系包括开关 MOSFET、底部 Q1、顶部 Q2、电感器 L1 和输入/输出滤波器。同步高效升压控制器 IC 通过改变动力传动系中开关 MOSFET 的状态来调节输出电压。为了描述本电路，系统接地（SYS_GND）用作极性的参考，输入轨（相对于SYS_GND负）（–V在），和正 — 相对于SYS_GND — 输出轨 （+V外).

转换器的工作原理如下。如果晶体管Q1导通，则电流从SYS_GND流向负轨。晶体管Q2关闭，电感L1在其磁场中存储能量。为了完成切换周期，Q1关闭，Q2打开。电流开始从SYS_GND流向+V外轨道，将 L1 能量释放到负载。

图1.负正转换器电气原理图，带V在–6 V 至 –18 V（–24 V 峰值）和 V外+12 V，6 A。

动力传动系部件选择的基本表达式

图2中的开关行为拓扑图说明了负正转换器行为。对于开关周期的第一个间隔，在占空比定义的时间长度内，底部开关，B西 南部，短路且顶部开关，T西 南部，是打开的。电感两端的电压 L 等于 –V在.在整个时间间隔内，电感L中的电流增加，产生与–V匹配的电压极性在电感两端。同时，输出滤波电容放电，为系统负载提供电流。

图2.负到正转换器拓扑图。

循环的第二个间隔翻转两个开关 - B西 南部是开放的，T西 南部被做空。电感L两端的极性发生变化，电感开始向负载和C提供电流（存储在周期的第一个间隔内）外，输出滤波电容。电感在周期的这一部分内看到相应的电流降低。电感的伏秒平衡定义了转换器在连续导通模式下的占空比D。

计算时序和组件应力

以下是描述动力传动系部件的正时和应力的公式。

占空比决定了开关的开/关时间

输入电流的平均值，I外，是输入电流

电感电流的峰值

开关 MOSFET 上的电压应力

通过底部MOSFET的平均电流

通过顶部 MOSFET 的平均电流

这些表达式对于大致了解拓扑的功能以及动力传动系组件的初步选择非常有用。对于最终选择和详细设计，请使用LTspice建模和仿真。®1

转换器控制说明和功能

输出电压的检测和控制电压的电平转换由基于 PNP 晶体管 Q3 和 Q4 的电流镜管理。反馈电流IFB（本电路中为1 mA）确定反馈环路中电阻的值。

其中 VC是误差放大器的基准电压。

其中 RFB（T）是输出电压检测电阻。

图1所示的反馈电路是一种廉价的解决方案，但分立晶体管的容差会受到基极发射极电压和温度变化差异的影响。为了提高精度，可以使用匹配的晶体管对。

转换器动力传动系的控制留给 LTC7804 升压控制器。之所以选择该芯片，是因为其效率高，具有同步整流、易于实现、高开关频率操作（如果需要小电感尺寸）和低静态电流。

测试结果和拓扑限制

该解决方案经过了细致的测试和验证。图3显示，在很宽的负载电流范围内，效率仍然很高，达到96%。请注意，随着输入电压的绝对值减小，输入和电感电流也会增加。在某一点，电感电流可能超过电感上的最大电流或饱和电流。显示这种效应的降额曲线如图4所示。在–9 V至–18 V范围内，最大负载电流为6 A，低于绝对值低于–9 V的输入电压。 图5显示了图6中解决方案板的热性能。

图3.V 的效率曲线在–12 V 和 –18 V，自然对流冷却。

图4.绝对值输入电压低于–9 V时的输出电流降额曲线。

图5.带V的转换器的热图像在–12 V 和 V外+12 V，6 A，使用自然对流冷却，无气流。

图6.转换器照片。

结论

本文介绍了一个非常高效且相对简单的设计的完整解决方案，用于使用升压控制器为单极性负电源添加正电源轨。它还提供时序、电源转换组件和电气应力的电气原理图和计算。测试数据证实了高效率和良好的热性能。此外，该解决方案中使用的升压拓扑使设计人员可以选择使用预认证的升压控制器，从而节省开发时间和成本。相反，对负-正转换器的升压控制器进行认证可以为其预认证，以用于未来的升压应用。

审核编辑：郭婷