正在寻找负输出DC-DC转换器

介绍

电子设备主要使用正电压轨供电。有时，也会使用一些负电压轨。因此，负输出DC-DC转换器解决方案并不像正输出DC-DC转换器那样常见。然而，当为工厂自动化、楼宇自动化和通信系统中的高性能器件（如高速DAC、运算放大器、RF功率放大器、AFE、GaN FET栅极驱动器、IGBT栅极驱动器等）供电时，需要一个负电压轨。设计人员在寻找负电压解决方案时面临着巨大挑战，因为大多数传统器件都需要外部电平转换器电路进行通信。它们也过时、效率低下、复杂且笨重。本文详细讨论了传统解决方案的缺点，然后研究了新一代高度集成的器件，以解决这一缺陷，并提供紧凑、易于使用且高效的负输出DC-DC解决方案。

负输出DC-DC转换器的挑战

典型的电源系统具有最低电压电位作为接地参考或GND。对于正输出DC-DC输出转换器，接地基准仅为GND（0 V电位）。其输入/输出信号自然以该接地为参考。系统控制器与DC-DC转换器简单直接地与这些I/O引脚通信。图1显示了这样一个系统，其中系统微控制器驱动转换器的EN（使能）引脚以打开和关闭它。控制器还通过其PGOOD（即RESET）引脚读取转换器的状态，以了解转换器功率输出是否在其调节范围内，并准备好为整个系统上电。为简单起见，此处仅显示一个DC-DC转换器，但该原理也适用于具有多个正电压轨的系统。

图1.仅使用正电压轨的系统简化原理图示例。

当使用负DC-DC转换器时，与系统控制器的通信并非易事。转换器的I/O引脚以最低电压电位为基准，在本例中为负输出电压，而不是系统GND。使用负电压轨时，设计人员需要为系统微控制器实现电平转换器电路，以便与DC-DC转换器通信。图1显示了具有两个电平转换器的系统简化原理图。

图2.使用负电压轨的系统简化原理图示例。

同样，为简单起见，此处仅显示一个负输出DC-DC转换器。但该原理适用于具有多个负电压轨或同时使用正负电压轨的系统。每个负输出DC-DC转换器的每个I/O引脚都需要一个电平转换器。

电平转换器电路很大，给设计人员带来了挑战。此外，传统的负DC-DC转换器解决方案复杂且效率低下，带来了另一个挑战。

挑战1：电平转换器

图3所示为典型的电平转换器电路。其目的是改变信号的接地参考，以匹配系统微控制器的接地参考。它用于转换来自系统微控制器的ON命令，以打开/关闭DC-DC转换器。该电平转换器由九个组件组成。其操作非常简单：当系统控制器将ON驱动为高电平时，Q1导通，进而将Q2偏置导通并将EN驱动为高电平，使能DC-DC转换器。当导通被驱动为低电平时，Q1和Q2均关断，EN被驱动为低电平以禁用转换器。

图3.典型的电平转换器电路从系统控制器转换ON命令。

图4描述了一种常见的电平转换器电路变化。这里用于转换来自DC-DC转换器的PGOOD信号，以便系统微转换器可以读取。当 PGOOD 被 DC-DC 转换器驱动为高电平（漏极开路）时，Q3 导通，进而偏置 Q4 并将 RESET 驱动为高电平，从而使系统微控制器退出复位状态。

图4.电平转换器转换来自DC-DC转换器的PGOOD信号。

这两个电平转换器需要 2 个外部元件，这给试图将解决方案适应不断缩小的设备和电路板空间的设计人员带来了挑战。

挑战2：效率低下

传统的负输出DC-DC解决方案效率低下。由于效率低下而产生的额外热量给设计人员带来了另一个挑战，他们现在面临着从系统中去除热量的额外负担。图5显示了这种系统的简化电路原理图。

图5.异步、双电感反相输出DC-DC转换器的简化原理图。

这种拓扑面临两个低效率问题。首先，它采用异步开关，其中输出整流二极管D1比同步解决方案消耗更多的功率。其次，它有一个额外的功率电感器L1和一个额外的电容器C1，它们也会消耗更多的功率。图6显示了该转换器在+12 V输入和–15 V输出下测得的效率曲线。其峰值效率仅为83%，在460 mA输出电流下功耗约为150 mW。

图6.功率损耗曲线显示了异步、双电感反相输出DC-DC转换器的效率。

更小、更高效的负输出DC-DC解决方案：

MAX17577和MAX17578是为满足工厂自动化、楼宇自动化和通信系统中对更小尺寸和低发热器件日益增长的要求而开发的。这些器件集成了电平转换电路，以降低元件成本和数量，并采用同步整流以获得最佳效率。这些是业界尺寸最小、效率最高的同步反相DC-DC降压转换器。图7显示了它们的典型应用电路。

图7.高度集成、最高效的负输出DC-DC转换器。

MAX17577和MAX17580具有较宽的输入电压范围。这些器件采用4.5 V至60 V输入供电，可提供高达300 mA的输出电流。这些器件采用集成电平转换器，可将元件数量减少一半，同时比最接近的传统解决方案节省 72% 的能耗，从而节省高达 35% 的电路板空间。图8显示了MAX17577在88 V输入和–5 V/16 mA输出时测得的峰值效率为15.150%。与图 5 所示的传统解决方案相比，效率提高了 5.6%。为什么效率很重要？效率为88.5%，该器件功耗仅为292 mW，同时为负载提供2.25 W功率。与前面所示的传统解决方案的 292 mW 相比，37 mW 意味着系统冷却的热量减少了 460%。

图8.MAX17579在–15 V输出时的效率。

图9显示了图2的改进版本，取消了电平转换器。系统微控制器可以直接与MAX17579/MAX17580通信，即使它们具有不同的接地基准。

图9.MAX17579/MAX17580采用负电压轨的系统。

还值得注意的是，这些新解决方案具有宽工作电压范围，可以承受和容忍系统电压波动，例如电涌事件、反电动势和电缆电压振铃等。并提高系统可靠性。此外，还有MAX17577和MAX17578，它们属于同一系列，性能相似，但可提供高达1 A的输出电流。这些设备是 非常适合为射频功率放大器、GaN FET 栅极驱动器、IGBT 栅极驱动器等供电。

结论

工厂自动化、楼宇自动化和通信系统中的设备对更小解决方案尺寸和更低发热的需求不断增长，这给寻求负电压DC-DC转换器的设计人员带来了巨大的挑战，因为大多数传统解决方案已经过时、效率低下、复杂且体积庞大。具有板载电平转换器、同步整流和宽工作输入电压的新型高度集成器件带来了最紧凑、高效和稳健的负输出DC-DC解决方案。

审核编辑：郭婷