Jhun Rennel Sanchez and Anthony Serquina

本文詳細介紹了一種生成雙輸出電壓軌的方法，該方法為器件電源 （DPS） 提供正負軌，同時只需要一個雙向電源。為設備電源供電的傳統方法使用兩個雙向（拉電流和灌電流能力）電源，一個用于正電源軌，一個用于負電源軌。此設置體積龐大且成本高昂。

介紹

DPS 與自動測試設備 （ATE） 和其他測量設備一起使用。ATE是計算機化的機械，可自動執行傳統的手動電子測試設備，以評估功能，質量，性能和壓力測試。這些 ATE 需要對其 DPS 進行四象限操作。DPS 是一種四象限電源，可以在具有正電壓或負電壓的同時供應和吸收電流。為了將DPS用于更高電流的應用，該解決方案將聯合多個DPS器件以提高其電流能力。由于DPS既可以吸收電流，也可以提供電流，因此DPS的電源必須具有相同的功能。開發雙輸出電壓軌是為了將所需的雙向電源數量減少到一個，同時仍為 DPS 提供正向和負雙向電源。制作雙向正電源非常簡單，因為有許多可用的集成電路（IC）可以供應和吸收電流。問題在于，負電源也需要根據被測器件（DUT）的要求來源出和吸收電流。一種解決方案是使用具有雙向功能的降壓IC，該IC可配置為用作反相降壓-升壓轉換器。LTC3871 就是一個例子，它既可用于正電源軌，也可用于負電源軌，因為它是一款雙向降壓或升壓控制器。

利用降壓IC設計反相降壓-升壓轉換器

圖1所示為降壓轉換器的簡化原理圖。它接受正輸入，并以較低的幅度輸出正輸出。圖2所示為反相降壓-升壓轉換器，該轉換器采用正輸出并輸出更低或更高的負幅度。如圖3所示，通過執行以下操作，可以將降壓拓撲轉換為反相降壓-升壓拓撲：

將降壓轉換器的正輸出轉換為系統地

將降壓轉換器的系統地轉換為負輸出節點

在 V 之間施加輸入電壓在和降壓轉換器的正輸出

圖4顯示了如何將降壓IC轉換為反相降壓-升壓配置的簡化原理圖。

圖1.降壓轉換器。

圖2.反相降壓-升壓轉換器。

圖3.將降壓轉換器轉換為反相降壓-升壓配置。

圖4.用于反相降壓-升壓拓撲的降壓IC。

轉換后的降壓IC的工作原理

采購電流

圖5顯示了反相降壓-升壓轉換器的波形以及拉電流時的電流。圖5a顯示了控制MOSFET導通時整個轉換器的電流。圖5c顯示了流過控制MOSFET的電流，其平均值是輸入電流。在此期間，電感開始存儲能量，在輸出電容為負載供電的同時斜坡上升電流。電感電壓等于此周期的輸入電壓。

當控制MOSFET關斷時，同步MOSFET導通，圖5b顯示了流經它的電流。輸出電流是同步MOSFET的平均電流，電感電壓等于輸出電壓。當電感器為負載和電容器供電時，其電流開始下降。這將重復每個開關周期。

轉換器的反饋控制脈寬調制（PWM），以將輸出電壓調節到所需電平，該電平由分壓器電阻器設置。公式1顯示了輸出電壓和輸入電壓之間的關系。

其中

V外= 輸出電壓

V在= 輸入電壓

D = 占空比

η = 系統效率

占空比大于50%時輸出電壓大于輸入電壓，占空比小于50%時輸出電壓小于輸入電壓。

圖5.（a） 導通時間期間的電流，（b） 關斷時間的電流，（c） 通過頂部/控制 MOSFET 的電流，（d） 通過機器人/同步 MOSFET 的電流，以及 （e） 電感器電壓。

沉電流

當轉換器開始吸收電流時，電流從輸出流向輸入，如圖6a和6b所示。流過控制和同步MOSFET的電流分別如圖6c和6d所示。由于轉換器正在吸收電流，因此可以看到負電流流過MOSFET。測試結果部分顯示了灌電流期間的負電感電流。

圖6.（a） 導通時間期間的電流，（b） 關斷時間期間的電流，（c） 流過頂部/控制 MOSFET 的電流，以及 （d） 流經機器人/同步 MOSFET 的電流。

測試結果

圖7顯示了用于測試設計的源-灌和灌-源能力的實際測試設置。圖 8 顯示了該設置的框圖。雙向直流電源充當 V 的電源收銀機并且處于 CV 模式。另一個直流電源連接到 V 的輸出內格.該直流電源控制沉入系統的電流量。阻斷二極管與該直流電源串聯，以確保轉換器提供電流時沒有電流流入其中。電荷載用作初始荷載，以表明系統能夠從源向下沉過渡，反之亦然。

圖7.用于源-接收器測試的電路板設置。

圖8.設置的框圖。

捕獲的波形如圖9所示。當直流電源接通時，VNEG 電源軌開始吸收電流。從電感電流波形可以看出，它從正電流過渡到負電流。當VNEG灌電流時，系統在此條件下處于開環狀態，源-灌電流由外部直流電源的CC模式控制。圖 10 中的 VPOS 也是如此。當連接到其輸出的直流電源打開時，VPOS 軌開始吸收電流。

圖9.VNEG 源到灌電流的轉換（+1 A 至 –20 A）。

圖 10.VPOS 源到灌電流的轉換（+1 A 至 –20 A）。
圖11中捕獲并顯示的波形是系統的源到灌轉換行為。從電感電流可以看出，它從負電流過渡到正電流。這表示當VNEG兩端注入的直流電壓被移除時，轉換回源電流。對于圖 12 所示的 VPOS 電源軌也是如此。

圖 11.VNEG灌電流到源極的轉換（–20 A至+1 A）。

圖 12.VPOS 灌電流到源極的轉換（–20 A 至 +1 A）。
結論
雙輸出電壓軌減少了所需的設備，因為它已經在VPOS和VNEG上具有雙向能力。當一個電源軌上沉入的電流用于為另一個電源軌供電時，效率也更高，從而減少了主電源供電的電流。該轉換器的另一個優點是，在設計雙向反相降壓-升壓轉換器時，它允許更多的IC選擇。

審核編輯：郭婷