四象限電壓轉換

作者 : Frederik Dostal,ADI現場應用工程師

什麼是四象限電源?答案:可以吸收和提供正負電流和電壓的電源。

雖然簡單電壓轉換器可以從輸入電壓產生固定的輸出電壓,但在某些應用中,這種特性是不夠的。一個例子是控制與電容相連的電壓節點,這些電容可以充電至任何電壓,如果需要降低其電壓,則其必須部分放電。因此,在這樣的應用中,電源必須能夠根據需要提供或吸收電流。這種轉換器稱為四象限DC-DC轉換器。對於這樣的應用,可以使用具有輸出放電功能的電源。它可以讓輸出電容快速放電。圖1顯示了降壓型切換穩壓器的這種功能。這裡,在降壓轉換器關閉之後,切換S2長時間接通,輸出電容被放電。

圖1 透過簡單的輸出放電功能讓輸出電容放電。

一種優雅的控制電流和電壓的方法是採用四象限DC-DC轉換器。典型降壓轉換器僅在一個象限中工作,它可以產生正電壓,電流正向流動,即電流從DC-DC轉換器流向負載。使用四象限轉換器不僅能讓輸出電容放電,還能產生電壓。這是可能的,因為電流既可流向負載,也可從負載流出。在前面的關於輸出電容快速放電的例子中,就是屬於這種情況。四象限DC-DC轉換器的功能還不止於此,除了產生電壓之外,它還能將電流設置為任何位準,此電流可以為正或為負。這種四象限轉換器經常用於通用實驗室電源中,例如,用戶可以使用固定電流設定測試LED;太陽能電池也可以將四象限轉換器用於負載,以吸收某一預定電流。

另一個有趣的應用是利用LCD技術為窗戶玻璃著色。這通常需要精準設定正值和負值範圍內的電壓,以根據房間中當下的光線情況和需要的亮度來產生合適的色調。

圖2顯示了四象限對於電源的含義。在座標系的象限中,x軸表示電壓,y軸表示電流,電流和電壓可以為正或為負。

圖2 四象限電壓轉換器。

因此,DC-DC轉換器既可用於能量來源,也可用於能量吸收器。換句話說,轉換器既可用於電源,也可用於電負載。

ADI的 LT8714 是用於四象限穩壓器的控制器。它擁有此類調節所需的全部功能,例如,使用該IC可以精準維持0V的電壓。圖3顯示了附帶控制器IC和功率級的簡化電路圖,後者由兩個電感L1和L2、兩個切換Q1和Q2,以及耦合電容CC組成。有關每一象限中的相應操作以及從一個象限到另一個象限的轉換行為的說明,請參閱LT8714產品資料手冊。

圖3 展示四象限電壓轉換器拓撲結構的簡化電路圖。

在某些應用中,電源需要在四個象限中操作。這可以透過LT8714等優化控制器輕鬆建構。電路設計非常簡單,而且其操作(特別是在頻繁出現的臨界0V交叉點附近)乾淨可靠。

也有替代四象限穩壓器的方法,例如切換穩壓器拓撲,其必須並聯連接以支援多象限功能。然而,相較於使用專用四象限解決方案,這些方法的成本常常更高。

 

 

 

 

 

 

 

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