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常見Buck電源芯片負(fù)壓輸出應(yīng)用
時(shí)間:2023-08-11
來源: 芯洲科技
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、電子電路應(yīng)用中，會經(jīng)常使用到負(fù)電壓電源。
圖1 負(fù)壓電源應(yīng)用于GaN射頻功率管
如常見的PC電源中，通常會用到負(fù)壓電源為串口提供邏輯判斷電平；
在單板設(shè)計(jì)中如運(yùn)放、IGBT驅(qū)動、傳感器等應(yīng)用中也可能使用到負(fù)壓電源；
在音響設(shè)備中，震蕩和反饋電路都需要負(fù)壓電源，以此增加它的動態(tài)范圍；
常閉型氮化鎵場效應(yīng)晶體管(GaN射頻功率管)也需要采用單獨(dú)的負(fù)電源。
一、如何產(chǎn)生負(fù)壓
常見的正電壓輸入負(fù)電壓輸出的方法有三種:
使用charge pump方式
此應(yīng)用所需外圍器件少，但負(fù)載能力較弱，輸出功率極小，電壓精度低。
使用Buck-Boost電路
此方式成本較高。
使用反激電路
需要采用變壓器隔離繞組反接輸出，因此設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，但可以同時(shí)輸出多路正負(fù)電源，在同時(shí)需要多種正負(fù)壓電源時(shí)此方案較為適用。
本文將介紹一種使用通用的Buck芯片直接生成負(fù)壓的解決方案，簡單易用，且目前通用的Buck芯片負(fù)載能力可達(dá)幾十安培、輸入電壓范圍已覆蓋幾伏至上百伏，應(yīng)用覆蓋范圍廣。
二、Buck芯片負(fù)壓使用
芯洲科技SCT24xx（40V耐壓、0.6A-6A負(fù)載能力）、SCT26xx（60V耐壓、0.6A-5A負(fù)載能力）等一系列40V、60V等芯片均可實(shí)現(xiàn)正壓轉(zhuǎn)負(fù)壓輸出。
圖3 SCT2430電路圖
如圖3所示，負(fù)壓輸出和正壓輸出，外圍器件數(shù)量和框架基本一樣，所有的元器件保持原位，電感的輸出端接至大地，形成一個(gè)新的電位，原本的大地作為輸出，設(shè)計(jì)簡單。
圖4 負(fù)壓輸出工作狀態(tài)
如圖4所示，假設(shè)Q1導(dǎo)通壓降為VQ1，Q2導(dǎo)通壓降為VQ2，在Q1開通（ton）期間和關(guān)斷（toff）期間，電感L1上的電壓如下：
Von = Vin - VQ1
Vof = -Vout + VQ2
根據(jù)伏秒平衡原則：
Von × ton = Voff × toff，同時(shí)因Q1、Q2導(dǎo)通壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Vin、Vout，因此VQ1、VQ2可忽略，由此得出：
根據(jù)以上公式可得出工作占空比D為
如圖5，24V輸入轉(zhuǎn)-12V輸出，占空比約33%，實(shí)測與理論計(jì)算基本匹配。
因此：Vo=- Vin×D/(1-D)
由上可知，輸出電壓的絕對值即可以大于輸入電壓也可以小于輸入電壓，結(jié)合其工作狀態(tài)示意圖可以看出，其本質(zhì)已不再工作在buck狀態(tài)，而是buck-boost狀態(tài)，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)外圍器件選型、負(fù)載能力不可再按照buck電路來進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)。
三、設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)
1. 負(fù)壓輸出時(shí)芯片可支持的最高工作電壓不再是芯片規(guī)格書標(biāo)稱的最大值，可按照公式Vin = Vin_max - | Vout |評估。
以SCT2630為例，正壓輸出應(yīng)用中芯片可支持的最高輸入工作電壓為60V，而當(dāng)輸出電壓為-5V時(shí)，則芯片可支持的最高輸入工作電壓
Vin= 60V - |-5V| = 55V
2. 輸入電容的耐壓選擇、若使用非同步整流芯片（如SCT2630）時(shí)的續(xù)流二極管耐壓選擇也需參考如上第一條留足降額；
3. 由于在Q1導(dǎo)通期間，輸入沒有向輸出提供能量，此時(shí)主要是輸出電容給負(fù)載供電；只有在Q1關(guān)斷Q2導(dǎo)通期間，由電感提供能量給負(fù)載同時(shí)給輸出電容充電，輸入輸出均不連續(xù)，因此輸入輸出紋波電壓比正壓輸出時(shí)略大；
4. 因?yàn)殡姼须娏魇钳B加的，所以負(fù)壓輸出應(yīng)用時(shí)芯片最大輸出電流≤標(biāo)稱值的一半；
5. 底部帶散熱焊盤的芯片，PCB布局時(shí)建議底部散熱焊盤接Vout，不建議接單板GND。
如下圖為SCT2630：輸入24V，負(fù)載2A，輸出+12V、-12V實(shí)測數(shù)據(jù)對比：
圖7 24V輸入，+12V輸出
圖8 24V輸入，-12V輸出
方案總結(jié)
采用通用的buck降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)負(fù)壓輸出，設(shè)計(jì)簡單易用，綜合成本、性能、體積在負(fù)壓應(yīng)用場景中的性價(jià)比較高。
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