本期，我們將介紹高電壓 DCM 反向電荷泵轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)知識。

需要低電流、高負(fù)電壓來偏置高級駕駛輔助系統(tǒng)中的傳感器、用于聲納應(yīng)用的超聲波傳感器和通信設(shè)備。反激式、Cuk 和反向降壓/升壓轉(zhuǎn)換器都是可能的解決方案，但會(huì)受到笨重的變壓器（反激式和 Cuk）阻礙，或受到控制器輸入電壓額定值（反向降壓/升壓）對最大負(fù)電壓的限制。在本期電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)中，我將詳細(xì)介紹將單個(gè)電感器與一個(gè)在不連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 下運(yùn)行的反向電荷泵配對的轉(zhuǎn)換器的工作原理。與接地參考的升壓控制器配合使用時(shí)，能夠以更低的系統(tǒng)成本生成較大的負(fù)輸出電壓。

圖 1 展示的是經(jīng)過簡化的功率級原理圖。請注意，該原理圖與傳統(tǒng)的反向降壓/升壓轉(zhuǎn)換器不同，該轉(zhuǎn)換器會(huì)使控制“浮動(dòng)”在 VIN和 ?VOUT之間。在該轉(zhuǎn)換器中，可實(shí)現(xiàn)的最大 ?VOUT等于控制器的最大 VCC減去最大輸入電壓。因此幾乎無法找到一個(gè)能夠驅(qū)動(dòng)輸出電壓為 ?100V 或更負(fù)大的 N 通道場效應(yīng)晶體管 (FET) 的控制器。

圖 1 電感驅(qū)動(dòng)的反向電荷泵的簡化功率級

電路的操作可以分為三個(gè)間隔(圖 2)。在第一個(gè)間隔中，F(xiàn)ET 在占空比 (d) 期間導(dǎo)通，這會(huì)在電感器兩端施加 VIN，允許電流從零開始上升并存儲(chǔ)能量。但是，在上一個(gè)周期中，C1（保持大約等于 VOUT的電壓）已經(jīng)耗盡了多余的能量，從而使 D1 和 D2 處于反向偏置狀態(tài)。這就是為什么在此間隔中未顯示 D1、D2 和 C1。C2 提供所有負(fù)載電流。

在下一個(gè)間隔 d' 中，F(xiàn)ET 關(guān)斷，電感電流開始放電，導(dǎo)致其電壓極性反轉(zhuǎn)。這大大增加了節(jié)點(diǎn) VFET 上的電壓，從而允許 C1 通過 D1 充電。在此間隔期間，電流會(huì)下降，直到 D1 關(guān)斷。但是，由于 D1 的反向恢復(fù)特性，電流在最終關(guān)斷之前變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)電感器的電流斜率會(huì)發(fā)生變化，其電壓極性會(huì)再次反轉(zhuǎn)。

第三個(gè)間隔 d'' 是能量從 C1 轉(zhuǎn)移到 C2 的過程。當(dāng) D1 停止導(dǎo)通時(shí)，電感器電壓被鉗位至 VIN，因?yàn)?VFET 節(jié)點(diǎn)電壓由流經(jīng) FET 體二極管的電流路徑強(qiáng)制接地。電流流經(jīng) D2，直到 C1 和 C2 上的電壓均衡為止，但電流會(huì)持續(xù)流經(jīng) FET 體二極管，直到電感電流降為零。此時(shí)，電感器兩端的電壓會(huì)崩潰并與電路寄生效應(yīng)諧振，直到 FET 再次導(dǎo)通為止。

圖 2 DCM 運(yùn)行的三個(gè)相位

圖 3 詳細(xì)說明了關(guān)鍵電壓和電流波形。DCM 運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)盡可能小的電感，但峰值電流更高。DCM 運(yùn)行的電感在最大占空比、最小 VIN和滿負(fù)載的條件下確定。對照控制器數(shù)據(jù)表仔細(xì)檢查最大占空比，但通?？梢赃x擇 60%-90%，否則可能發(fā)生脈沖跳躍。較大的電感會(huì)使電路進(jìn)入連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM)，因?yàn)樵谙乱粋€(gè)開關(guān)周期之前，電流不會(huì)恢復(fù)為零。這導(dǎo)致使用的電感器可能大于必要值，并需要額外注意以防止發(fā)生次諧波振蕩。

圖 3 DCM 中的主要電路波形

設(shè)計(jì)公式

對于 DCM 運(yùn)行，公式 1 滿足涉及電感器存儲(chǔ)能量的關(guān)系：

方程式 1.

其中，ipk是指示器峰值電流，η 是轉(zhuǎn)換器的效率。然后，電感器峰值電流等于公式 2：

方程式 2.

根據(jù)以下兩個(gè)公式，公式 3 以如下方式表示占空比 (d)：

方程式 3.

由于 VIN是 FET 導(dǎo)通時(shí)電感器兩端的電壓，而 ipk是占空比 d 結(jié)束時(shí)的電感器電流，因此將公式 2 代入公式 3 可得到公式 4 和 5：

方程式 4.

方程式 5.

在間隔 d' 內(nèi)、平均負(fù)載電流由公式 6 和 7 中的幾何關(guān)系確定：

方程式 6.

方程式 7.

將公式 2 代入公式 7 可得到公式 8：

方程式 8.

該周期的剩余部分定義為 d''，即當(dāng)能量轉(zhuǎn)移到 C2 中，且剩余電感電流放電至零時(shí)（公式 9）：

方程式 9.

圖 4 展示了使用倍壓器實(shí)施此轉(zhuǎn)換器的示例原理圖，其中使每個(gè)功率級元件的電壓應(yīng)力等于完整輸出電壓的一半。這樣做可以從更多的元件中進(jìn)行選擇。在此應(yīng)用中，在輸出電壓為一半但負(fù)載電流為兩倍的情況下計(jì)算電感。

圖 4 具備倍壓器和電平轉(zhuǎn)換電流鏡的

電感器驅(qū)動(dòng)反向電荷泵原理圖

該轉(zhuǎn)換器提供了一個(gè)小型單電感器解決方案來生成較大的負(fù)電壓。此外，它還允許使用價(jià)格低廉的接地參考升壓控制器來驅(qū)動(dòng) N 通道 FET。

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