有關(guān)負輸出DC-DC轉換器的所有信息

2021-05-28

有關(guān)負輸出DC-DC轉換器的所有信息

電子設備主要使用正電壓軌供電。有時(shí)，還會(huì )使用一些負電壓軌。因此，負（或反相）輸出DC-DC轉換器解決方案不如其正輸出DC-DC對應方案常見(jiàn)。但是，當為工廠(chǎng)自動(dòng)化，樓宇自動(dòng)化和通信系統中的高性能設備供電時(shí)，例如高速DAC，運算放大器，RF功率放大器，AFE，GaN FET柵極驅動(dòng)器和IGBT柵極驅動(dòng)器，則需要負電壓軌。

由于大多數傳統設備都需要外部電平轉換器電路進(jìn)行通信，因此設計師在尋找負電壓解決方案時(shí)面臨著(zhù)巨大的挑戰。它們也已過(guò)時(shí)，效率低下，復雜且笨重。本文詳細討論了傳統解決方案的弊端，然后研究了一種新型的高度集成的設備，該設備可解決這一缺陷，并提供一種緊湊，易于使用且高效的負輸出DC-DC解決方案。

負輸出DC-DC轉換器面臨的挑戰

典型的電源系統具有最低的電勢作為接地參考或GND。對于正輸出DC-DC輸出轉換器，接地參考只是GND（0-V電位）。它的輸入/輸出信號自然參考該地。系統控制器使用I / O引腳簡(jiǎn)單直接地與DC-DC轉換器通信。

圖1此簡(jiǎn)化的系統原理圖僅使用正電壓軌。

圖1說(shuō)明了這樣一個(gè)系統，其中系統微控制器（MCU）驅動(dòng)轉換器的EN（啟用）引腳以將其打開(kāi)和關(guān)閉?？刂破鬟€通過(guò)其PGOOD（即RESET）引腳讀取轉換器的狀態(tài)，以了解轉換器的電源輸出是否在其調節范圍之內，并準備為整個(gè)系統加電。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，此處僅顯示一個(gè)DC-DC轉換器，但是該原理也適用于具有多個(gè)正電壓軌的系統。

當使用負DC-DC時(shí)，與系統控制器的通信并非易事。轉換器的I / O引腳參考其最低電位，在這種情況下，它是負輸出電壓，而不是系統接地（GND）。當使用負電壓軌時(shí)，設計人員需要為系統MCU實(shí)現電平轉換器電路，以與DC-DC轉換器進(jìn)行通信。圖2示出了具有兩個(gè)電平轉換器的系統的簡(jiǎn)化示意圖。

圖2此簡(jiǎn)化的系統原理圖使用負電壓軌。

同樣，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，此處僅顯示一個(gè)負輸出DC-DC轉換器，但該原理適用于具有多個(gè)負電壓軌或正負電壓軌混合的系統。每個(gè)負輸出DC-DC轉換器的每個(gè)I / O引腳都需要一個(gè)電平轉換器。

電平轉換器電路很大，給設計人員帶來(lái)了挑戰。此外，傳統的負DC-DC轉換器解決方案復雜且效率低下，這帶來(lái)了又一個(gè)挑戰。

挑戰1：電平轉換器

圖3示出了典型的電平轉換器電路。其目的是使信號的接地參考偏移以匹配系統MCU的參考接地。此處用于轉換系統MCU的ON命令以打開(kāi)/關(guān)閉DC-DC轉換器。該電平轉換器由9個(gè)組件組成。它的操作非常簡(jiǎn)單：當系統控制器將ON驅動(dòng)為高電平時(shí)，Q1導通，進(jìn)而偏置Q2導通并將EN驅動(dòng)為高電平，以使能DC-DC轉換器。當將ON驅動(dòng)為低電平時(shí)，Q1和Q2均關(guān)斷，并且將EN驅動(dòng)為低電平以禁用轉換器。

圖3典型的電平轉換器電路轉換來(lái)自系統控制器的ON命令。

圖4描述了常見(jiàn)的電平轉換器電路變化。它在這里用于轉換來(lái)自DC-DC轉換器的PGOOD信號，以便系統微轉換器可以讀取它。當DC-DC轉換器將PGOOD驅動(dòng)為高電平（漏極開(kāi)路）時(shí)，Q3導通，進(jìn)而偏置Q4并將RESET驅動(dòng)為高電平，從而使系統MCU退出復位狀態(tài)。

圖4電平轉換器轉換來(lái)自DC-DC轉換器的PGOOD信號。

這兩個(gè)電平轉換器需要18個(gè)外部元件，這對試圖將解決方案適應不斷縮小的設備和電路板空間的設計人員構成了挑戰。

挑戰2：效率低下

傳統的負輸出DC-DC解決方案效率低下。由于效率低下而產(chǎn)生的額外熱量給設計人員帶來(lái)了另一個(gè)挑戰，他們現在承擔了從系統中去除熱量的額外負擔。圖5是這種系統的簡(jiǎn)化電路示意圖。

圖5是非同步雙電感器反相輸出DC-DC轉換器的簡(jiǎn)化示意圖。

該拓撲面臨兩個(gè)效率低下的問(wèn)題。首先，它采用非同步開(kāi)關(guān)，與同步解決方案相比，輸出整流二極管D1消耗更多的功率。其次，它具有一個(gè)額外的功率電感器L1和一個(gè)額外的電容器C1，這也會(huì )消耗更多的功率。圖6顯示了該轉換器的效率曲線(xiàn)，在12V輸入和-15V輸出下測得。其峰值效率僅為83％，而在150 mA輸出電流下的功耗約為460 mW。

圖6功率損耗曲線(xiàn)顯示了非同步雙電感器反相輸出DC-DC轉換器的效率。

體積更小，效率更高的負輸出DC-DC解決方案

的MAX17577和MAX17578同步反相DC-DC降壓轉換器被開(kāi)發(fā)，以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的需求更小和在工廠(chǎng)自動(dòng)化降低熱產(chǎn)生裝置，樓宇自動(dòng)化，和通信系統。這些器件集成了電平轉換電路，以降低組件成本和數量，并采用同步整流以提高效率。圖7顯示了它們的典型應用電路。

圖7 MAX17579和MAX17580是高度集成的高效負輸出DC-DC轉換器。

這些DC-DC轉換器具有較寬的輸入電壓范圍。該器件的工作電壓為4.5至60V，可提供高達300 mA的輸出電流。借助集成的電平轉換器，這些器件通過(guò)將元件數量減少一半，而能耗卻比最接近的傳統解決方案少35％，從而節省了多達72％的電路板空間。

圖8 MAX17577在-15V輸出時(shí)具有88.5％的效率。

圖8顯示了在16V輸入和-15V / 150mA輸出下測得的MAX17577峰值效率為88.5％。與圖6所示的傳統解決方案相比，效率提高了5.5個(gè)百分點(diǎn)。為什么效率如此重要？效率為88.5％時(shí)，該器件僅消耗292 mW的功率，同時(shí)向負載提供2.25 W的功率。292 mW的熱量意味著(zhù)系統冷卻的熱量減少了37％，而之前顯示的傳統解決方案為460 mW的熱量。

圖9顯示了圖2的改進(jìn)版本，其中沒(méi)有電平轉換器。即使系統MCU具有不同的接地基準，它們也可以直接與MAX17579 / MAX17580通信。

圖9該圖顯示了采用負電壓軌的系統中的MAX17579 / MAX17580。

還值得注意的是，這些新的解決方案在較寬的工作電壓范圍內可以承受和承受系統電壓波動(dòng)，例如電涌事件，反電動(dòng)勢和電纜電壓振鈴，從而提高了系統可靠性。此外，MAX17577和MAX17578屬于同一系列，性能相似，但可提供高達1 A的輸出電流。這些器件非常適合為RF功率放大器，GaN FET柵極驅動(dòng)器和IGBT柵極驅動(dòng)器供電。

新型高度集成的設備

對于工廠(chǎng)自動(dòng)化，樓宇自動(dòng)化和通信系統中的設備中較小的解決方案尺寸和較低的發(fā)熱量，不斷增長(cháng)的要求給尋找負電壓DC-DC轉換器的設計人員提出了巨大挑戰，在這些設備中，大多數傳統解決方案已經(jīng)過(guò)時(shí)，效率低下，復雜且笨重。

帶有板載電平轉換器，同步整流和寬工作輸入電壓的新型高度集成設備為桌面帶來(lái)了最緊湊，最高效，最強大的負輸出DC-DC解決方案。