電子設(shè)備主要使用正電壓軌供電。有時(shí)，也會(huì)使用一些負(fù)電壓軌。因此，負(fù)輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案并不像正輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器那樣常見。然而，當(dāng)為工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和通信系統(tǒng)中的高性能器件（如高速DAC、運(yùn)算放大器、RF功率放大器、AFE、GaN FET柵極驅(qū)動(dòng)器、IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器等）供電時(shí)，需要一個(gè)負(fù)電壓軌。設(shè)計(jì)人員在尋找負(fù)電壓解決方案時(shí)面臨著巨大挑戰(zhàn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)傳統(tǒng)器件都需要外部電平轉(zhuǎn)換器電路進(jìn)行通信。它們也過(guò)時(shí)、效率低下、復(fù)雜且笨重。本文詳細(xì)討論了傳統(tǒng)解決方案的缺點(diǎn)，然后研究了新一代高度集成的器件，以解決這一缺陷，并提供緊湊、易于使用且高效的負(fù)輸出DC-DC解決方案。

負(fù)輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器的挑戰(zhàn)

典型的電源系統(tǒng)具有最低電壓電位作為接地參考或GND。對(duì)于正輸出DC-DC輸出轉(zhuǎn)換器，接地基準(zhǔn)僅為GND（0 V電位）。其輸入/輸出信號(hào)自然以該接地為參考。系統(tǒng)控制器與DC-DC轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)單直接地與這些I/O引腳通信。圖1顯示了這樣一個(gè)系統(tǒng)，其中系統(tǒng)微控制器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器的EN（使能）引腳以打開和關(guān)閉它?？刂破鬟€通過(guò)其PGOOD（即RESET）引腳讀取轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)，以了解轉(zhuǎn)換器功率輸出是否在其調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，并準(zhǔn)備好為整個(gè)系統(tǒng)上電。為簡(jiǎn)單起見，此處僅顯示一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器，但該原理也適用于具有多個(gè)正電壓軌的系統(tǒng)。

圖1.僅使用正電壓軌的系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖示例。

當(dāng)使用負(fù)DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，與系統(tǒng)控制器的通信并非易事。轉(zhuǎn)換器的I/O引腳以最低電壓電位為基準(zhǔn)，在本例中為負(fù)輸出電壓，而不是系統(tǒng)GND。使用負(fù)電壓軌時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要為系統(tǒng)微控制器實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換器電路，以便與DC-DC轉(zhuǎn)換器通信。圖1顯示了具有兩個(gè)電平轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖。

圖2.使用負(fù)電壓軌的系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖示例。

同樣，為簡(jiǎn)單起見，此處僅顯示一個(gè)負(fù)輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器。但該原理適用于具有多個(gè)負(fù)電壓軌或同時(shí)使用正負(fù)電壓軌的系統(tǒng)。每個(gè)負(fù)輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器的每個(gè)I/O引腳都需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器。

電平轉(zhuǎn)換器電路很大，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了挑戰(zhàn)。此外，傳統(tǒng)的負(fù)DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案復(fù)雜且效率低下，帶來(lái)了另一個(gè)挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)1：電平轉(zhuǎn)換器

圖3所示為典型的電平轉(zhuǎn)換器電路。其目的是改變信號(hào)的接地參考，以匹配系統(tǒng)微控制器的接地參考。它用于轉(zhuǎn)換來(lái)自系統(tǒng)微控制器的ON命令，以打開/關(guān)閉DC-DC轉(zhuǎn)換器。該電平轉(zhuǎn)換器由九個(gè)組件組成。其操作非常簡(jiǎn)單：當(dāng)系統(tǒng)控制器將ON驅(qū)動(dòng)為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，進(jìn)而將Q2偏置導(dǎo)通并將EN驅(qū)動(dòng)為高電平，使能DC-DC轉(zhuǎn)換器。當(dāng)導(dǎo)通被驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)，Q1和Q2均關(guān)斷，EN被驅(qū)動(dòng)為低電平以禁用轉(zhuǎn)換器。

圖3.典型的電平轉(zhuǎn)換器電路從系統(tǒng)控制器轉(zhuǎn)換ON命令。

圖4描述了一種常見的電平轉(zhuǎn)換器電路變化。這里用于轉(zhuǎn)換來(lái)自DC-DC轉(zhuǎn)換器的PGOOD信號(hào)，以便系統(tǒng)微轉(zhuǎn)換器可以讀取。當(dāng) PGOOD 被 DC-DC 轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)為高電平（漏極開路）時(shí)，Q3 導(dǎo)通，進(jìn)而偏置 Q4 并將 RESET 驅(qū)動(dòng)為高電平，從而使系統(tǒng)微控制器退出復(fù)位狀態(tài)。

圖4.電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換來(lái)自DC-DC轉(zhuǎn)換器的PGOOD信號(hào)。

這兩個(gè)電平轉(zhuǎn)換器需要 2 個(gè)外部元件，這給試圖將解決方案適應(yīng)不斷縮小的設(shè)備和電路板空間的設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)2：效率低下

傳統(tǒng)的負(fù)輸出DC-DC解決方案效率低下。由于效率低下而產(chǎn)生的額外熱量給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了另一個(gè)挑戰(zhàn)，他們現(xiàn)在面臨著從系統(tǒng)中去除熱量的額外負(fù)擔(dān)。圖5顯示了這種系統(tǒng)的簡(jiǎn)化電路原理圖。

圖5.異步、雙電感反相輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化原理圖。

這種拓?fù)涿媾R兩個(gè)低效率問(wèn)題。首先，它采用異步開關(guān)，其中輸出整流二極管D1比同步解決方案消耗更多的功率。其次，它有一個(gè)額外的功率電感器L1和一個(gè)額外的電容器C1，它們也會(huì)消耗更多的功率。圖6顯示了該轉(zhuǎn)換器在+12 V輸入和–15 V輸出下測(cè)得的效率曲線。其峰值效率僅為83%，在460 mA輸出電流下功耗約為150 mW。

圖6.功率損耗曲線顯示了異步、雙電感反相輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率。

更小、更高效的負(fù)輸出DC-DC解決方案：

MAX17577和MAX17578是為滿足工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和通信系統(tǒng)中對(duì)更小尺寸和低發(fā)熱器件日益增長(zhǎng)的要求而開發(fā)的。這些器件集成了電平轉(zhuǎn)換電路，以降低元件成本和數(shù)量，并采用同步整流以獲得最佳效率。這些是業(yè)界尺寸最小、效率最高的同步反相DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器。圖7顯示了它們的典型應(yīng)用電路。

圖7.高度集成、最高效的負(fù)輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器。

MAX17577和MAX17580具有較寬的輸入電壓范圍。這些器件采用4.5 V至60 V輸入供電，可提供高達(dá)300 mA的輸出電流。這些器件采用集成電平轉(zhuǎn)換器，可將元件數(shù)量減少一半，同時(shí)比最接近的傳統(tǒng)解決方案節(jié)省 72% 的能耗，從而節(jié)省高達(dá) 35% 的電路板空間。圖8顯示了MAX17577在88 V輸入和–5 V/16 mA輸出時(shí)測(cè)得的峰值效率為15.150%。與圖 5 所示的傳統(tǒng)解決方案相比，效率提高了 5.6%。為什么效率很重要？效率為88.5%，該器件功耗僅為292 mW，同時(shí)為負(fù)載提供2.25 W功率。與前面所示的傳統(tǒng)解決方案的 292 mW 相比，37 mW 意味著系統(tǒng)冷卻的熱量減少了 460%。

Figure 8. MAX17579’s efficiency at –15 V output.

Figure 9 shows an improved version of Figure 2, eliminating the level shifters. The system microcontroller can communicate directly with MAX17579/MAX17580 even though they have different grounding references.

圖9.MAX17579/MAX17580采用負(fù)電壓軌的系統(tǒng)。

還值得注意的是，這些新解決方案具有寬工作電壓范圍，可以承受和容忍系統(tǒng)電壓波動(dòng)，例如電涌事件、反電動(dòng)勢(shì)和電纜電壓振鈴等。并提高系統(tǒng)可靠性。此外，還有MAX17577和MAX17578，它們屬于同一系列，性能相似，但可提供高達(dá)1 A的輸出電流。這些設(shè)備是 非常適合為射頻功率放大器、GaN FET 柵極驅(qū)動(dòng)器、IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器等供電。

結(jié)論

工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和通信系統(tǒng)中的設(shè)備對(duì)更小解決方案尺寸和更低發(fā)熱的需求不斷增長(zhǎng)，這給尋求負(fù)電壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)傳統(tǒng)解決方案已經(jīng)過(guò)時(shí)、效率低下、復(fù)雜且體積龐大。具有板載電平轉(zhuǎn)換器、同步整流和寬工作輸入電壓的新型高度集成器件帶來(lái)了最緊湊、高效和穩(wěn)健的負(fù)輸出DC-DC解決方案。

作者

通惠

Anthony T. Huynh（又名Thong Anthony Huynh）是ADI公司應(yīng)用工程技術(shù)人員（MTS）的主要成員。他在設(shè)計(jì)和定義隔離和非隔離開關(guān)電源和電源管理產(chǎn)品方面擁有 20 多年的經(jīng)驗(yàn)。在ADI，他定義了100多種電源管理產(chǎn)品，包括DC-DC轉(zhuǎn)換器、熱插拔控制器、以太網(wǎng)供電以及世界領(lǐng)先制造商采用的各種系統(tǒng)保護(hù)IC。Anthony在電力電子領(lǐng)域擁有四項(xiàng)美國(guó)專利，并撰寫了多篇該領(lǐng)域的公開文章和應(yīng)用筆記。他擁有俄勒岡州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，并已完成所有碩士學(xué)位課程。 波特蘭州立大學(xué)電氣工程學(xué)位，他還在那里 作為兼職講師教授電力電子課程。


審核編輯黃宇