由单一输入电压实现分离供电轨的改进拓扑结构

2012-09-23来源: 互联网关键字:模拟电子  ADI

 

 

 

简介

虽然轨到轨单电源运算放大器已得到广泛使用,但仍然常常需要由单一(正)输入供电轨产生两个供电轨(例如±15 V),以便为模拟信号链的不同部分供电。这些部分的电流一般较低(例如10 mA至500 mA),正负电源具有相对匹配良好的负载。

该问题的一种解决方案是使用两个不同的转换器,一个提供正供电轨,一个提供负供电轨。这样做成本高昂,而且正如本应用笔记所示,也没有必要。另一种解决方案是使用一个反激式转换器,然而,两个电源在差分负载下往往不能非常好地保持一致,需要较大且昂贵的变压器,而且效率低下。

更好的解决方案是使用一个SEPIC-C'uk转换器,该拓扑结构由连接到同一开关节点的一个输出不受调节的C'uk转换器和一个输出受到调节的SEPIC转换器组成。这一组合产生的两个电源几乎能在所有条件下都非常好地保持一致,除非负载100%不匹配。

对该转换器的工作原理及使用ADI公司ADP161x的实现方案进行分析,证明这种拓扑结构功能全面。此外,本文将介绍一种革命性的新型设计工具,它有助于在用户应用中快速实现SEPIC-C'uk转换器。

图1. SEPIC-C'uk转换器原理图

图1. SEPIC-C'uk转换器原理图

拓扑结构描述

初看起来,SEPIC-C'uk似乎是一个很复杂的转换器,具有四个不同的电感和开关。但是,可以将它看作由两个转换器组成,从而简化分析。对于SEPIC或C'uk转换器,Q1和Q2开关以相反的相位工作。图2显示SEPIC转换器在两种不同开关状态下的电流流向。

图2. SEPIC转换器的电流流向

图2. SEPIC转换器的电流流向

虽然并不十分明显,但传输电容(C1)的电压约为恒定的VIN(带很小的纹波)。

图4所示为SEPIC转换器的理想波形。当Q1导通时,SN2的电压等于-VIN.因此,在Q1导通(Q2断开)期间,L1a和L1b上的电压为VIN;当Q1断开(Q2导通)时,L1a和L1b上的电压为-VOUT.应用电感伏秒平衡原理,可以计算稳态直流转换比,如方程式1所示。D为转换器的占空比(开关周期中Q1导通时间所占的比例)。

C'uk转换器的工作方式与SEPIC转换器相似,但是,开关Q2接地,而不是连接到输出端,电感L2b连接到输出端,而不是接地。图3显示C'uk转换器在两种开关位置时的电流流向。

C'uk是一个负输出转换器,因此流出负载的电流为其提供能量。

图3. C'uk转换器的电流流向

图3. C'uk转换器的电流流向

C'uk转换器的理想波形如图4所示。应用电感伏秒平衡和电容电荷平衡的原理,可知C1上的电压为VIN + VOUT.因此,SN2开关节点在GND(当Q2闭合时)与-(VIN + VOUT)之间切换。当Q1导通(Q2断开)时,L2a和L2b上的电压为VIN;当Q1断开(Q2导通)时,L2a和L2b上的电压为-VOUT。

图4. SEPIC理想波形比较

图4. SEPIC理想波形比较

图4和图5中的波形可知,C'uk中电感上的电压与SEPIC中的情况完全相同。因此,C'uk的占空比关系式恰好为SEPIC的负值,如方程式2所示。

图5. C'uk理想波形

图5. C'uk理想波形

由于占空比关系式大小相等但符号相反,开关节点(SN1)电压相同,电感电流相同,因此可以简单地将这两个转换器同时连接到节点SN1.合并后的转换器如图1所示。

Q2和Q3由二极管取代,因为这些电源一般是低功率模拟电源,适合使用异步控制器。此外,两个电感(L1a和L2a)并联,这是因为L1a和L1b、L2a和L2b通过两个独立的耦合电感耦合在一起,由此会带来多项好处。

耦合电感可将电感中的电流纹波降低两倍(参见"参考文献"部分引用的C'uk-Middlebrook论文)。此外,它可以消除方程式3和方程式4所确定的SEPIC和C'uk谐振,从而显着降低小信号模型的复杂度,并且支持更高的带宽。这样,我们就能使用种类众多的现成器件,而不必局限于为数不多的三绕组1:1:1电感。

也可以使用Coilcraft Hexapath系列等六绕组器件或定制的三绕组变压器。

耦合系数的限制

虽然耦合电感具有突出的优势,但并不希望耦合太紧,以至于有大量能量通过铁芯传输。为避免这种情况,设计人员必须确保C1(和C2)在开关频率下的复阻抗小于泄漏电感(LLKG)的阻抗加上单一绕组DCR构成的复阻抗的十分之一。

该不等式如方程式5所示。泄漏电感(Ll)可以利用方程式6和耦合电感数据手册中提供的耦合系数(K)来计算。Lm是数据手册中提供的自感测量值。注意,在方程式5中,Cx和Lx中的x表示C1或C2、L1或L2。

差分负载和输出电压跟踪

本质上,SEPIC-C'uk的C'uk(负)输出是未经调节的,因此与SEPIC(正)输出相比,输出电流的变化会带来一定的负载变化,特别是负载不匹配时。注意,其跟踪特性比相似配置的反激式转换器要好得多,尤其是在瞬变或负载不匹配的情况下,这是因为通道之间的耦合是直接连接,而不是通过本身具有泄漏电感的变压器进行连接。

图6显示将一个30 mA瞬变施加于SEPIC-C'uk转换器的C'uk(-VOUT)输出的响应,SEPIC输出保持恒定的100 mA.图中显示两个输出均对该瞬变负载做出了响应。这是最差情况的瞬变,因为C'uk输出未经调节。值得注意的是,-VOUT轨显示的大部分偏差实际上是应用于两个轨的负载(IOUT+ 、I OUT- )之间不匹配所引起的直流调节偏移。

图6. 对负(C'uk)输出施加30 mA阶跃负载的瞬态响应

图6. 对负(C'uk)输出施加30 mA阶跃负载的瞬态响应

当两个电源的负载相同时,在稳态下,权重较大的误差项是电感的DCR不匹配和二极管的正向电压,可以让这些误差变得相对输出电压非常小。

当负载显着不匹配时,误差增大,如图7所示。因此,在某些应用中,可能有必要在一个或两个通道上放置一个小的伪负载,使两个电源均在其调节窗口中。应注意,一般而言,只要有足够的裕量,则运算放大器等模拟芯片对其电源的直流变化不是很敏感。

图7. 差分负载下供电轨之间的相对电压调节

图7. 差分负载下供电轨之间的相对电压调节

关键字:模拟电子  ADI

编辑:Gem 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/mndz/2012/0923/article_16867.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:由单一输入电压实现分离供电轨的改进拓扑结构
下一篇:ADI集成带通滤波器的高中频采样接收机前端

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

致远电子:电机工况模拟测试及结果分析

随着现代工业自动化成熟度的提高,工程师倾向于模拟电机的实际工况周期,并通过仪器的设置完成温度、功率等参数的自动测试,本文就以实际安排来呈现电机工况模拟测试及结果分析。电机行业需要测试电机运行时温度变化,如温度不能超过某些限值;同时也需要测试电机电压、电流、功率等,并且需要将所有参数同时显示,以便于查看与控制。当然,电机特性的综合测试系统可以实现此测试需求,但是成本太高,同时不少测试场合的精度要求无需如此复杂。如果只是综合评估电参数及温度性能,使用DM100数据采集记录仪配合PA310功率计即可满足测试需求,既可以实现对于电机测试的自动控制,又能将所有信息同时显示在上位机软件中,下面重点介绍自动控制环节。 一、模拟工况测试
发表于 2018-11-07
致远电子:电机工况模拟测试及结果分析

杨建国教授:高校教育只是种了种子,生根发芽还要靠后续

今日,伴随着新学期的开始,有着西北模电王之称的西安交通大学电气工程学院杨建国教授,又发布了全新的系列丛书,那就是《新概念模拟电路》。这是继《你好,放大器》之后,杨建国教授的又一最新力作,该套丛书包括了《晶体管》、《负反馈和运算放大器》、《运放电路的频率特性和滤波器》、《信号处理电路》以及《源电路.信号和电源》五本,囊括了模拟电路的诸多知识点。(广告一下,目前第一本《晶体管》一书已在ADI校园计划上公布了电子版,大家可关注并下载)不久前,杨教授专门对高校教育和竞赛做出了自己的解读。西安交通大学电气工程学院杨建国教授杨教授开玩笑道:“作为高校教师经常被骂,特别是那些搞企业的同学,回到学校之后就骂我怎么教的学生,毕业生
发表于 2018-09-04
杨建国教授:高校教育只是种了种子,生根发芽还要靠后续

模拟芯片公司「帝奥微电子」完成C轮融资

36氪近日获悉,模拟芯片公司「帝奥微电子」宣布完成C轮融资,由沃衍资本领投。帝奥微电子是一家混合模拟半导体集成电路(IC)设计公司,提供高性能模拟混合信号半导体行业的解决方案,服务市场包括LED商用照明、安防/物联网、手机、电子烟、蓝牙耳机、扫地机器人、医疗电子及工业电子等。其核心产品包括:LED照明IC芯片、 USB2.0/3.0产品IC芯片、超低功耗及低噪音放大器IC芯片、高效率的电源管理IC芯片以及应用于各种模拟音频/视频的IC芯片。这里简单介绍下模拟芯片的概念。芯片可分为两大类:模拟芯片和数字芯片。    模拟芯片:处理模拟信号。种类细分且繁多,包括模拟数字转换芯片(ADC)、放大器芯片
发表于 2018-07-27

新思与CEA合作开发车用电子硬件模拟解决方案

系统日趋复杂,因此不论是网路实体系统、智慧电源管理还是电子组件安全性方面,都带来了新的验证挑战。CEA List研究人员已运用业界最快的硬件模拟系统ZeBu来处理这些工作,而面对新一代汽车应用相关之网路实体系统(cyber-physical systems)的需求,设计时仍需要功能更强大的硬件模拟系统。因此,CEA与新思科技成立新的联合实验室(joint lab)展开策略性合作,将着重ZeBu Server整合于车用电子中之多重实体模拟环境,并持续聚焦于验证和混合硬件模拟,以及利用ZeBu Server-3与新思科技Virtualizer和Platform Architect虚拟原型建造解决方案的结合,进行ADAS应用的大规模混合
发表于 2017-11-22

瑞萨电子和ASTC联合开发VLAB/IMP-TA模拟器虚拟平台(VP)

电子网消息,全球领先的半导体解决方案供应商瑞萨电子株式会社宣布,和澳大利亚半导体科技有限公司(ASTC)以及其子公司VLAB Works一起,联合开发用于瑞萨R-Car V3M的VLAB/IMP-TA模拟器虚拟平台(VP),该平台是一款可用于先进驾驶辅助系统(ADAS)和车载信息娱乐系统的汽车片上系统(SoC)。VP在R-Car V3M芯片系统中可模拟图像识别和认知IP,仅用PC便可进行嵌入式软件开发,既缩短了VP开发时间,也提高了软件质量。VLAB/IMP-TA模拟器是瑞萨电子用于R-Car V3M的最新软件开发工具之一,也是于2017年4月发布的Renesas autonomyTM平台的一部分。瑞萨电子全球ADAS中心副总裁
发表于 2017-10-27

高灵敏向量转接器增强电子战威胁模拟逼真度

是德科技高灵敏度的全新向量转接器能以灵敏的120dB振幅范围模拟实际的接收角度与重叠扫描情形,以现成解决方案实现业界最高的传真度。是德科技(Keysight Technologies)日前宣布推出高灵敏度向量转接器,进一步延伸了UXG X系列高灵敏度讯号产生器的功能,让工程师能利用IQ资料产生复杂的脉冲讯号与波形,以便得到更逼真的电子战(EW)威胁模拟结果。Keysight N5194A UXG X系列高灵敏度向量转接器可搭配是德科技商用现成(COTS)的UXG X系列高灵敏度讯号产生器,为航太与国防应用提供业界传真度最高的高灵敏度威胁模拟。N51N5194A UXG X系列高灵敏度向量转接器可在50MHz至20GHz的频率范围
发表于 2017-10-26

小广播

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2019 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved