有(yǒu)关负输出DC-DC转换器的所有(yǒu)信息

2021-05-28

有(yǒu)关负输出DC-DC转换器的所有(yǒu)信息

電(diàn)子设备主要使用(yòng)正電(diàn)压轨供電(diàn)。有(yǒu)时，还会使用(yòng)一些负電(diàn)压轨。因此，负（或反相）输出DC-DC转换器解决方案不如其正输出DC-DC对应方案常见。但是，当為(wèi)工厂自动化，楼宇自动化和通信系统中的高性能(néng)设备供電(diàn)时，例如高速DAC，运算放大器，RF功率放大器，AFE，GaN FET栅极驱动器和IGBT栅极驱动器，则需要负電(diàn)压轨。

由于大多(duō)数传统设备都需要外部電(diàn)平转换器電(diàn)路进行通信，因此设计师在寻找负電(diàn)压解决方案时面临着巨大的挑战。它们也已过时，效率低下，复杂且笨重。本文(wén)详细讨论了传统解决方案的弊端，然后研究了一种新(xīn)型的高度集成的设备，该设备可(kě)解决这一缺陷，并提供一种紧凑，易于使用(yòng)且高效的负输出DC-DC解决方案。

负输出DC-DC转换器面临的挑战

典型的電(diàn)源系统具有(yǒu)最低的電(diàn)势作為(wèi)接地参考或GND。对于正输出DC-DC输出转换器，接地参考只是GND（0-V電(diàn)位）。它的输入/输出信号自然参考该地。系统控制器使用(yòng)I / O引脚简单直接地与DC-DC转换器通信。

图1此简化的系统原理(lǐ)图仅使用(yòng)正電(diàn)压轨。

图1说明了这样一个系统，其中系统微控制器（MCU）驱动转换器的EN（启用(yòng)）引脚以将其打开和关闭。控制器还通过其PGOOD（即RESET）引脚读取转换器的状态，以了解转换器的電(diàn)源输出是否在其调节范围之内，并准备為(wèi)整个系统加電(diàn)。為(wèi)简单起见，此处仅显示一个DC-DC转换器，但是该原理(lǐ)也适用(yòng)于具有(yǒu)多(duō)个正電(diàn)压轨的系统。

当使用(yòng)负DC-DC时，与系统控制器的通信并非易事。转换器的I / O引脚参考其最低電(diàn)位，在这种情况下，它是负输出電(diàn)压，而不是系统接地（GND）。当使用(yòng)负電(diàn)压轨时，设计人员需要為(wèi)系统MCU实现電(diàn)平转换器電(diàn)路，以与DC-DC转换器进行通信。图2示出了具有(yǒu)两个電(diàn)平转换器的系统的简化示意图。

图2此简化的系统原理(lǐ)图使用(yòng)负電(diàn)压轨。

同样，為(wèi)简单起见，此处仅显示一个负输出DC-DC转换器，但该原理(lǐ)适用(yòng)于具有(yǒu)多(duō)个负電(diàn)压轨或正负電(diàn)压轨混合的系统。每个负输出DC-DC转换器的每个I / O引脚都需要一个電(diàn)平转换器。

電(diàn)平转换器電(diàn)路很(hěn)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，这带来了又(yòu)一个挑战。

挑战1：電(diàn)平转换器

图3示出了典型的電(diàn)平转换器電(diàn)路。其目的是使信号的接地参考偏移以匹配系统MCU的参考接地。此处用(yòng)于转换系统MCU的ON命令以打开/关闭DC-DC转换器。该電(diàn)平转换器由9个组件组成。它的操作非常简单：当系统控制器将ON驱动為(wèi)高電(diàn)平时，Q1导通，进而偏置Q2导通并将EN驱动為(wèi)高電(diàn)平，以使能(néng)DC-DC转换器。当将ON驱动為(wèi)低電(diàn)平时，Q1和Q2均关断，并且将EN驱动為(wèi)低電(diàn)平以禁用(yòng)转换器。

图3典型的電(diàn)平转换器電(diàn)路转换来自系统控制器的ON命令。

图4描述了常见的電(diàn)平转换器電(diàn)路变化。它在这里用(yòng)于转换来自DC-DC转换器的PGOOD信号，以便系统微转换器可(kě)以读取它。当DC-DC转换器将PGOOD驱动為(wèi)高電(diàn)平（漏极开路）时，Q3导通，进而偏置Q4并将RESET驱动為(wèi)高電(diàn)平，从而使系统MCU退出复位状态。

图4電(diàn)平转换器转换来自DC-DC转换器的PGOOD信号。

这两个電(diàn)平转换器需要18个外部元件，这对试图将解决方案适应不断缩小(xiǎo)的设备和電(diàn)路板空间的设计人员构成了挑战。

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(tā)们现在承担了从系统中去除热量的额外负担。图5是这种系统的简化電(diàn)路示意图。

图5是非同步双電(diàn)感器反相输出DC-DC转换器的简化示意图。

该拓扑面临两个效率低下的问题。首先，它采用(yòng)非同步开关，与同步解决方案相比，输出整流二极管D1消耗更多(duō)的功率。其次，它具有(yǒu)一个额外的功率電(diàn)感器L1和一个额外的電(diàn)容器C1，这也会消耗更多(duō)的功率。图6显示了该转换器的效率曲線(xiàn)，在12V输入和-15V输出下测得。其峰值效率仅為(wèi)83％，而在150 mA输出電(diàn)流下的功耗约為(wèi)460 mW。

图6功率损耗曲線(xiàn)显示了非同步双電(diàn)感器反相输出DC-DC转换器的效率。

體(tǐ)积更小(xiǎo)，效率更高的负输出DC-DC解决方案

的MAX17577和MAX17578同步反相DC-DC降压转换器被开发，以满足不断增長(cháng)的需求更小(xiǎo)和在工厂自动化降低热产生装置，楼宇自动化，和通信系统。这些器件集成了電(diàn)平转换電(diàn)路，以降低组件成本和数量，并采用(yòng)同步整流以提高效率。图7显示了它们的典型应用(yòng)電(diàn)路。

图7 MAX17579和MAX17580是高度集成的高效负输出DC-DC转换器。

这些DC-DC转换器具有(yǒu)较宽的输入電(diàn)压范围。该器件的工作電(diàn)压為(wèi)4.5至60V，可(kě)提供高达300 mA的输出電(diàn)流。借助集成的電(diàn)平转换器，这些器件通过将元件数量减少一半，而能(néng)耗却比最接近的传统解决方案少35％，从而节省了多(duō)达72％的電(diàn)路板空间。

图8 MAX17577在-15V输出时具有(yǒu)88.5％的效率。

图8显示了在16V输入和-15V / 150mA输出下测得的MAX17577峰值效率為(wèi)88.5％。与图6所示的传统解决方案相比，效率提高了5.5个百分(fēn)点。為(wèi)什么效率如此重要？效率為(wèi)88.5％时，该器件仅消耗292 mW的功率，同时向负载提供2.25 W的功率。292 mW的热量意味着系统冷却的热量减少了37％，而之前显示的传统解决方案為(wèi)460 mW的热量。

图9显示了图2的改进版本，其中没有(yǒu)電(diàn)平转换器。即使系统MCU具有(yǒu)不同的接地基准，它们也可(kě)以直接与MAX17579 / MAX17580通信。

图9该图显示了采用(yòng)负電(diàn)压轨的系统中的MAX17579 / MAX17580。

还值得注意的是，这些新(xīn)的解决方案在较宽的工作電(diàn)压范围内可(kě)以承受和承受系统電(diàn)压波动，例如電(diàn)涌事件，反電(diàn)动势和電(diàn)缆電(diàn)压振铃，从而提高了系统可(kě)靠性。此外，MAX17577和MAX17578属于同一系列，性能(néng)相似，但可(kě)提供高达1 A的输出電(diàn)流。这些器件非常适合為(wèi)RF功率放大器，GaN FET栅极驱动器和IGBT栅极驱动器供電(diàn)。

新(xīn)型高度集成的设备

对于工厂自动化，楼宇自动化和通信系统中的设备中较小(xiǎo)的解决方案尺寸和较低的发热量，不断增長(cháng)的要求给寻找负電(diàn)压DC-DC转换器的设计人员提出了巨大挑战，在这些设备中，大多(duō)数传统解决方案已经过时，效率低下，复杂且笨重。

带有(yǒu)板载電(diàn)平转换器，同步整流和宽工作输入電(diàn)压的新(xīn)型高度集成设备為(wèi)桌面带来了最紧凑，最高效，最强大的负输出DC-DC解决方案。