有关负输出DC-DC转换器的所有信息

2021-05-28

有关负输出DC-DC转换器的所有信息

电子设备主要使用正电压轨供电。有时，还会使用一些负电压轨。因此，负（或反相）输出DC-DC转换器解决方案不如其正输出DC-DC对应方案常见。但是，当为工厂自动化，楼宇自动化和通信系统中的高性能设备供电时，例如高速DAC，运算放大器，RF功率放大器，AFE，GaN FET栅极驱动器和IGBT栅极驱动器，则需要负电压轨。

由于大多数传统设备都需要外部电平转换器电路进行通信，因此设计师在寻找负电压解决方案时面临着巨大的挑战。它们也已过时，效率低下，复杂且笨重。本文详细讨论了传统解决方案的弊端，然后研究了一种新型的高度集成的设备，该设备可解决这一缺陷，并提供一种紧凑，易于使用且高效的负输出DC-DC解决方案。

负输出DC-DC转换器面临的挑战

典型的电源系统具有最低的电势作为接地参考或GND。对于正输出DC-DC输出转换器，接地参考只是GND（0-V电位）。它的输入/输出信号自然参考该地。系统控制器使用I / O引脚简单直接地与DC-DC转换器通信。

图1此简化的系统原理图仅使用正电压轨。

图1说明了这样一个系统，其中系统微控制器（MCU）驱动转换器的EN（启用）引脚以将其打开和关闭。控制器还通过其PGOOD（即RESET）引脚读取转换器的状态，以了解转换器的电源输出是否在其调节范围之内，并准备为整个系统加电。为简单起见，此处仅显示一个DC-DC转换器，但是该原理也适用于具有多个正电压轨的系统。

当使用负DC-DC时，与系统控制器的通信并非易事。转换器的I / O引脚参考其最低电位，在这种情况下，它是负输出电压，而不是系统接地（GND）。当使用负电压轨时，设计人员需要为系统MCU实现电平转换器电路，以与DC-DC转换器进行通信。图2示出了具有两个电平转换器的系统的简化示意图。

图2此简化的系统原理图使用负电压轨。

同样，为简单起见，此处仅显示一个负输出DC-DC转换器，但该原理适用于具有多个负电压轨或正负电压轨混合的系统。每个负输出DC-DC转换器的每个I / O引脚都需要一个电平转换器。

电平转换器电路很大，给设计人员带来了挑战。此外，传统的负DC-DC转换器解决方案复杂且效率低下，这带来了又一个挑战。

挑战1：电平转换器

图3示出了典型的电平转换器电路。其目的是使信号的接地参考偏移以匹配系统MCU的参考接地。此处用于转换系统MCU的ON命令以打开/关闭DC-DC转换器。该电平转换器由9个组件组成。它的操作非常简单：当系统控制器将ON驱动为高电平时，Q1导通，进而偏置Q2导通并将EN驱动为高电平，以使能DC-DC转换器。当将ON驱动为低电平时，Q1和Q2均关断，并且将EN驱动为低电平以禁用转换器。

图3典型的电平转换器电路转换来自系统控制器的ON命令。

图4描述了常见的电平转换器电路变化。它在这里用于转换来自DC-DC转换器的PGOOD信号，以便系统微转换器可以读取它。当DC-DC转换器将PGOOD驱动为高电平（漏极开路）时，Q3导通，进而偏置Q4并将RESET驱动为高电平，从而使系统MCU退出复位状态。

图4电平转换器转换来自DC-DC转换器的PGOOD信号。

这两个电平转换器需要18个外部元件，这对试图将解决方案适应不断缩小的设备和电路板空间的设计人员构成了挑战。

挑战2：效率低下

传统的负输出DC-DC解决方案效率低下。由于效率低下而产生的额外热量给设计人员带来了另一个挑战，他们现在承担了从系统中去除热量的额外负担。图5是这种系统的简化电路示意图。

图5是非同步双电感器反相输出DC-DC转换器的简化示意图。

该拓扑面临两个效率低下的问题。首先，它采用非同步开关，与同步解决方案相比，输出整流二极管D1消耗更多的功率。其次，它具有一个额外的功率电感器L1和一个额外的电容器C1，这也会消耗更多的功率。图6显示了该转换器的效率曲线，在12V输入和-15V输出下测得。其峰值效率仅为83％，而在150 mA输出电流下的功耗约为460 mW。

图6功率损耗曲线显示了非同步双电感器反相输出DC-DC转换器的效率。

体积更小，效率更高的负输出DC-DC解决方案

的MAX17577和MAX17578同步反相DC-DC降压转换器被开发，以满足不断增长的需求更小和在工厂自动化降低热产生装置，楼宇自动化，和通信系统。这些器件集成了电平转换电路，以降低组件成本和数量，并采用同步整流以提高效率。图7显示了它们的典型应用电路。

图7 MAX17579和MAX17580是高度集成的高效负输出DC-DC转换器。

这些DC-DC转换器具有较宽的输入电压范围。该器件的工作电压为4.5至60V，可提供高达300 mA的输出电流。借助集成的电平转换器，这些器件通过将元件数量减少一半，而能耗却比最接近的传统解决方案少35％，从而节省了多达72％的电路板空间。

图8 MAX17577在-15V输出时具有88.5％的效率。

图8显示了在16V输入和-15V / 150mA输出下测得的MAX17577峰值效率为88.5％。与图6所示的传统解决方案相比，效率提高了5.5个百分点。为什么效率如此重要？效率为88.5％时，该器件仅消耗292 mW的功率，同时向负载提供2.25 W的功率。292 mW的热量意味着系统冷却的热量减少了37％，而之前显示的传统解决方案为460 mW的热量。

图9显示了图2的改进版本，其中没有电平转换器。即使系统MCU具有不同的接地基准，它们也可以直接与MAX17579 / MAX17580通信。

图9该图显示了采用负电压轨的系统中的MAX17579 / MAX17580。

还值得注意的是，这些新的解决方案在较宽的工作电压范围内可以承受和承受系统电压波动，例如电涌事件，反电动势和电缆电压振铃，从而提高了系统可靠性。此外，MAX17577和MAX17578属于同一系列，性能相似，但可提供高达1 A的输出电流。这些器件非常适合为RF功率放大器，GaN FET栅极驱动器和IGBT栅极驱动器供电。

新型高度集成的设备

对于工厂自动化，楼宇自动化和通信系统中的设备中较小的解决方案尺寸和较低的发热量，不断增长的要求给寻找负电压DC-DC转换器的设计人员提出了巨大挑战，在这些设备中，大多数传统解决方案已经过时，效率低下，复杂且笨重。

带有板载电平转换器，同步整流和宽工作输入电压的新型高度集成设备为桌面带来了最紧凑，最高效，最强大的负输出DC-DC解决方案。