一款四象限 DC/DC 開關穩壓器的實現

引言

在很多電子系統中，有必要為特定類型負載提供雙極性（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電動機以及其他很多類型的應用。

有很多傳統方法可為負載提供雙極性電壓/電流。H橋式設計經常使用，但是要求負載的兩個端子均不能直接接地。負載的兩個端子均須在正電源軌和地之間擺動，為了濾除這種斬波波形，通常會給負載串聯一個電感器。負載不能直接接地可能使整個系統的機械及電氣設計復雜化。H橋式方法還需要4個開關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電源軌，一個正軌和一個負軌。人們使用各種不同的電路在穩壓的正或負軌中“進行掉換”，以實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，會產生非線性響應。

本文給出一種新的DC/DC開關架構，該架構能夠實現真正的4象限工作，這意味著，輸出電壓可以為正或負，電流也可以在兩個方向上流動。此外，這種新架構產生的輸出電壓能夠從一種極性向另一種極性、穿過地電位平滑轉換，而且這種轉換模式不產生任何非線性問題。

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關頻率工作。電流模式控制（圖中未顯示）在需要時用來調制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接通時間的占空比可以計算如下：

從這個等式中可以清楚地看出，在VIN電壓為正時，輸出電壓VOUT可以為正（最高為VIN）或負（僅受實際DC因素的限制），也可以為0V.實際上，0V輸出電平并沒什么特殊之處，因為在這個工作點上，該轉換器DC的占空比為50%.

無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2VIN– VOUT.例如，如果VIN為+12V，VOUT為-12V，那么兩個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顯示了一個配置為這種拓撲的完整電路，該電路已經過全面測試。這個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VCNTL用來調節輸出電壓。LT8710是一款80V控制器，因此可用來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，正弦曲線控制信號用來產生以0V為中心的正弦曲線輸出電壓。電感器電流可為正或負，無論是正是負，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型的信號都可以使用。

圖3：正弦波輸出電壓穿過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降低靜態功耗，同時保持或改善動態性能。PMOS和NMOS器件的體電壓可獨立控制以調節器件的門限（VT）。當FPGA要求較低時，可將門限調節得較高，從而顯著地降低這些數字構件中的泄漏電流。當FPGA要求較高時，可以降低門限，從而提高速度，并因此提高FPGA性能。圖4顯示了一個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