设计要点 DN561: 高电压、高效率正至负转换器

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引言

正至负转换 (反相输出) 广泛地使用在 LCD 器件、OLED 显示器、音频放大器、工业机械、半导体制造工艺控制设备、测量工具、测试系统、LED 驱动器和电池充电器中。许多此类应用需要高功率级和扩展的输入电压范围，而这正是 LTC3896 正至负控制器的两个固有特性。这款控制器因其能够处理非常高的输入和输出电压 (总电压应力可达 150V)、能够驱动标准级 MOSFET 并具有 40μA (在停机模式中则为 10μA) 的低工作静态电流而特别适合汽车应用。

宽的 7V~72V 输入至 –12V/5A 输出

图 1 示出了一款基于 LTC3896 的正至负转换器。该解决方案从一个 7V 至 72V 输入电压范围提供 –12V/5A 输出。在汽车市场中，LTC3896 处理高输入电压的能力免除了增设庞大和昂贵电压抑制器的需要，而低的最小输入电压即使在冷车发动情况下也能保持敏感系统正常运行。

 
Figure 1. The –12V Output Converter (U1) Provides 5A to the Load in the Input Voltage Range from 7V to 72V. Note Control Signals RUN, PGOOD and PLLIN are Referenced to GND
Figure 1. The –12V Output Converter (U1) Provides 5A to the Load in the Input Voltage Range from 7V to 72V. Note Control Signals RUN, PGOOD and PLLIN are Referenced to GND

图 1：–12V 输出转换器 (U1) 在 7V 至 72V 输入电压范围内提供 5A 至负载。注意控制信号 RUN、PGOOD 和 PLLIN 是参考于 GND

该转换器的功率链由 MOSFET Q1、Q2 和电感器 L1 组成。输出滤波器基于陶瓷电容器 COX。U1 的 EXTVCC 引脚连接至 GND，在该引脚上产生一个 12V 电位 (相对于 VOUT–)。如果需要一个电源良好信号，则应使用一个参考于 GND 的外部电压源。LTC3896 的控制和接口信号 (包括 RUN、PGOOD 和 PLLIN) 参考于系统 GND，以免除在处理器控制型系统中增设电平移位器之需。

在产品手册 [1] 中详细说明了计算 LTC3896 周围组件之电压和电流应力的指引。对于基本评估，可采用下面的公式来计算占空比 (D)、平均电感器电流 (IL) 和 MOSFET 电压应力 (VDS)：

 

演示电路 DC2447A [2] 说明了 LTC3896 的通用性。设计师能测试该控制器的众多功能，包括同步至一个外部时钟、使用一个外部线性稳压器来减小高输出电压条件下 IC 上热应力的能力、以及用于产生 –5V 或 –3.3V 输出的简易型解决方案。

图 2 示出了各种不同输入电压下的效率。图 3 给出了转换器处于工作状态时的热像图。

 
Figure 2. Efficiency Curves for the Circuit in Figure 1. Output Voltage is –12V and Maximum Load Current is 5A
Figure 2. Efficiency Curves for the Circuit in Figure 1. Output Voltage is –12V and Maximum Load Current is 5A

图 2：图 1 所示电路的效率曲线。输出电压为 –12V，最大负载电流为 5A。

 

 
Figure 3. Thermal Image of DC2447A is Taken at 36V Input Voltage, –12V at 5A Output. On the Right Side, an Assembly Drawing of the Demo Board
Figure 3. Thermal Image of DC2447A is Taken at 36V Input Voltage, –12V at 5A Output. On the Right Side, an Assembly Drawing of the Demo Board

图 3：DC2447A 的热像图是在 36V 输入电压、–12V/5A 输出条件下拍摄的。在右侧给出的是该演示板的装配图。

结论

LTC3896 是一款高度集成的控制器，专为正至负转换而设计。基于该控制器的解决方案具有高效率和极低的静态电流，这一点对于电池供电式系统是很重要。另外，这款器件还高度通用，拥有可编程频率、150V 的宽输入电压范围和至 –60V 的输出电压。它利用参考于主机地的控制信号简化了汽车和工业电源的设计。

作者

Victor Khasiev

Victor Khasiev

Victor Khasiev曾是ADI公司的高级应用工程师，在AC/DC和DC/DC转换的电力电子领域拥有丰富的经验。他拥有两项专利，并撰写了多篇文章。这些文章涉及ADI半导体器件在汽车和工业应用中的使用，涵盖了升压、降压、SEPIC、正-负、负-负、反激式、正激式转换器和双向备用电源。他持有高效功率因数校正解决方案和先进的栅极驱动器相关专利。Victor乐于为ADI公司客户提供技术支持解答有关ADI产品、电源原理图设计和验证、印刷电路板布局、故障排查以及最终系统测试的问题。