动态调整负输出电压

有产生负输出电压的标准技术，并且有动态调整输出电压的众所周知的方法。我希望在本文中解决的缺失环节将这两种技术与简单的电平转换电路结合起来。

需要负输出电压电源的应用包括测试和测量、航空航天和国防、汽车和医疗。创建负电源轨的一种常见方法是使用传统的降压转换器，但将其用作反相降压-升压转换器。降压转换器集成电路 (IC) 接地引脚连接到负输出电压节点 (-V OUT )，电感器输出连接到系统接地 (0V)。图 1是一个示例配置。从输出到反馈 (FB) 引脚的电阻分压器设置输出电压。

图 1将降压转换器作为反相降压-升压转换器运行会产生负输出电压。

使用降压转换器 IC 生成负电压的一个关键挑战是如何连接 IC 的信号以及如何对进出 IC 的信号进行电平转换。输入/输出 (I/O) 引脚以负输出电压 (-V OUT ) 而非系统接地 (0V) 为参考。此应用报告很好地解释了在系统接地 (0V) 域和本地 IC 接地 (-V OUT )之间对使能 (EN)、电源正常 (PGOOD) 和同步 (SYNC) 信号进行电平转换的几种电路领域。该报告还包括有关如何通过测量波特图和负载瞬态响应来测试电路的有用建议。本应用报告还包括一些电平转换电路示例。

接下来，我们来看看动态电压调整。对于传统的降压或升压转换器，参考文献 4、5 和 6 演示了几种调整输出电压的方法。一种流行的方法是在 FB 引脚和可调电压源 (V ADJ ) 之间连接一个电阻，如图 2所示。 V ADJ处的电压可向上或向下调整，以动态调整转换器的输出电压。当V ADJ高于FB节点电压(等于参考电压V REF)时，电流将通过电阻R ADJ流入FB节点。这导致输出电压下降。

相反，如果V ADJ电压低于FB 节点电压，电流将以相反方向流过电阻R ADJ，输出电压将增加。

一种思考方式是，流入 FB 节点的拉电流(或灌电流)使其看起来顶部(或底部)电阻值已减小。电阻器的 R ADJ 的作用类似于与顶部或底部电阻器并联的虚拟电阻器。

图 2您可以通过向 FB 节点提供/吸收电流来动态调整转换器的输出电压。

生成 V ADJ的一种简单方法是提供通过电阻电容低通滤波器的脉宽调制 (PWM) 信号。微控制器或其他数字芯片可以输出PWM信号。控制PWM信号的占空比将改变V ADJ。使用这种方法动态调整反相降压-升压转换器的负输出电压可能是一项艰巨的任务，因为降压转换器 IC 的本地接地依赖于负输出电压 (-V OUT )，而不是系统接地 (0V)。电平转换电路可能是必要的，就像我之前提到的 I/O 引脚的接口(图 3)。

图 3使用接地参考 PWM 信号来生成 V ADJ需要电平转换电路。

图 4显示了该应用的电平转换电路示例。该电路会将相对于系统接地 (0V) 的 PWM 信号转换为相对于 IC 接地 (-V OUT ) 的 PWM 信号。 PWM 源可打开和关闭 P 沟道金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。当 P 沟道 MOSFET 导通时，它将 N 沟道 MOSFET 栅极拉至栅极阈值电压以上，并导通 N 沟道 MOSFET。反过来，这会将 V PWM拉低至 -V OUT。当P沟道MOSFET关断时，N沟道MOSFET关断并且电阻器R PU将V PWM拉向V BIAS。电压偏置可以使用精密并联稳压器(例如 Texas Instruments LM4040)生成，该稳压器通过电阻器连接到 V IN并连接到 -V OUT。如图 3 所示，R FLT和 C FLT充当低通滤波器并创建 V ADJ。通过R ADJ 的电流将调节输出电压。

图 4此示例电平转换电路使用分立元件将 PWM 信号从接地参考转换为 IC 的参考 -V OUT。

图 5中的仿真结果显示了该方法能够调整负输出电压，其中降压转换器作为反相降压-升压转换器运行。在前 6 毫秒 (ms) 内，负输出电压(以红色显示并标记为“NVOUT”)缓慢启动至 -7V。蓝线显示 V ADJ，它跟踪启动期间的负输出电压。 PWM 电路在 7 ms 时启用(PWM 输入波形以紫色显示)并生成电平移位 PWM (V PWM )。电压调整(以蓝色显示)增加，转换器输出电压随之增加。经过大约 2 ms 的转换时间后，转换器达到新的稳态工作点(接近 -2V)。调整 PWM 信号会在仿真后期降低输出电压，从而获得平滑、有效的结果。

图 5仿真显示了如何使用电平转换电路来动态调整负输出电压。

使用简单的电路来实现可调负输出电压可以与许多现成的降压转换器 IC 配合使用。该电路结合了用于调整输出电压和电平移位信号的常用技术。这里介绍的电平转换电路使系统接地参考 PWM 源能够改变注入电源转换器 FB 节点的电流。关键的设计挑战是在本地 IC 接地电压(与负输出电压相同的电压)变化时控制注入电流。该技术适用于需要动态调整负输出电压的各种应用。