Биполярные источники питания уже давно известны на рынке, однако решения, способные корректно работать в моменты падения входного напряжения, в частности, во время холодного пуска, и при этом обеспечивать двунаправленный функционал, на данный момент отсутствуют. В статье представлен пример биполярного источника, невосприимчивого к изменениям входного напряжения при работе в режиме источника и в режиме нагрузки, то есть при протекании тока от выхода к входу.

Введение
Большинство существующих электронных систем работает от цепей питания с положительным или отрицательным напряжением, однако для некоторых приложений требуется наличие устройства, способного выдавать напряжение как той, так и другой полярности. В подобных случаях прибегают к использованию биполярных источников питания, напряжение на выходе которых может плавно регулироваться во всем необходимом диапазоне. Такие решения довольно часто встречаются в автомобильных приложениях или продвинутых аудиосистемах, где к традиционным источникам добавляются блоки питания, способные исполнять роль потребителей тока, то есть работать в режиме нагрузки. Ярким примером могут служить системы рекуперативного торможения, применяемые в некоторых автомобилях.

Схемы биполярного двунаправленного источника питания
На рис. 1 показана схема биполярного двухкаскадного источника питания, в основе которого лежит четырехквадрантный DC/DC-преобразователь LT8714, обозначенный на схеме как U1. Данный преобразователь питается от повышающего преобразователя LTC7804, обозначенного на схеме как U2 и выдающего напряжение промежуточной шины Vinter в диапазоне 12−24 В (если брать максимальные значения) или 12−16 В (если брать номинальные значения), что соответствует диапазону напряжений в стандартной аккумуляторной цепи автомобиля. Напряжение на выходе схемы источника составляет ±10 В при токе нагрузки 3 А и регулируется при помощи вывода CTRL преобразователя U1.

Фильтр нижних частот, состоящий из компонентов CF и RF, сглаживает скачки управляющего напряжения. Выходной тракт источника состоит из двух транзисторов MOSFET: n‑канальный QN1 и p‑канальный QP1, индуктивностей L1 и L2 и фильтра на выходе, построенного из керамических конденсаторов. Использование двух индуктивностей вместо одной позволяет расширить диапазон допустимых к применению компонентов и применить дроссели, которые уже присутствуют в спецификации на другие разрабатываемые устройства.
Диапазон входных напряжений двухступенчатого источника питания составляет 5−24 В, что предоставляет возможность компенсировать падение напряжения, возникающее в автомобильных системах во время холодного пуска или пониженного напряжения в промышленных приложениях (brownout). Повышающий преобразователь U2 поддерживает внутреннее напряжение промежуточной шины на уровне 12 В или выше. Выходная цепь U2 состоит из индуктивности L3 и транзисторов MOSFET Q1 и Q2 и обеспечивает нормальную работу преобразователя U1 при напряжении на нагрузке в диапазоне ±10 В во всех режимах работы.

Принцип работы схемы в режиме источника
На рис. 2 приведена осциллограмма, снятая во время работы схемы с рис. 1. При подаче напряжения на вход Vin, значение которого меньше 12 В, повышающий преобразователь U1 усиливает сигнал на выходе Vinter до уровня 12 В. Если же подаваемое на Vin напряжение превышает уровень в 12 В, преобразователь переходит в режим Pass-Thru,. при котором транзистор Q1 оказывается открыт в течение всего рабочего цикла и напряжение на VINTER, подаваемое на четырехквадрантный преобразователь U1 становится равно напряжению, подаваемому на вход Vin U2.
Предложенная выше схема источника питания позволяет существенно увеличить КПД решения по сравнению с традиционными двухкаскадными системами, в основе которых лежит повышающий и следующий за ним понижающий/инвертирующий преобразователь. Значение КПД в режиме Pass-Thru, в котором устройство будет проводить большую часть своего времени, может достигать 100%, что, по сути, превращает его в однокаскадный преобразователь. Если же напряжение на входе падает ниже 12 В, например, во время холодного пуска двигателя, преобразователь U2 выходит из режима Pass-Thru и возобновляет регулировку VINTER до уровня 12 В. Такой подход позволяет четырехквадрантному преобразователю U1 выдавать ±10 В даже в моменты резких перепадов входного напряжения.

Как уже упоминалось, управление выходным напряжением схемы происходит при помощи вывода CTRL преобразователя U1. Когда величина управляющего напряжения на выводе принимает максимальное значение 1,048 В, напряжение на выходе преобразователя становится равным +10 В. Если же величина управляющего напряжения принимает минимальное значение (100 мВ), напряжение на выходе преобразователя опускается до -10 В. Зависимость выходного напряжения преобразователя от управляющего напряжения на выводе CTRL показана на рис. 3. Управляющий сигнал представляет собой синусоиду с частотой 60 Гц и размахом амплитуды 0,9048 В. Выходной сигнал преобразователя также является синусоидой частотой 60 Гц, однако его размах амплитуды составляет 20 В. На графике видно, как сигнал на выходе преобразователя плавно изменяется от -10 В до +10 В.
Выходное напряжение преобразователя U1 на выводе FB сравнивается с управляющим сигналом и на основании результатов сравнения рассчитывается рабочий цикл преобразователя, то есть величина коэффициента заполнения сигнала на QN1. Если значения Vinter, CONTROL или Vout изменяются, снова происходит сравнение и регулировка рабочего цикла, что гарантирует наличие на выходе преобразователя стабильного значения напряжения. Транзисторы QP1 и QN1 переключаются синхронно и выполняют роль активных выпрямителей, что способствует росту КПД, как показано на рис. 4.

Принцип работы схемы в режиме нагрузки
Приведенная выше схема двунаправленного источника питания может работать как в режиме источника, так и в режиме приемника, то есть нагрузки. При работе в режиме приемника ток течет в обратном направлении от выхода Vout к входу Vin. Данный режим довольно часто востребован в автомобильной электронике и некоторых типах аудиосистем. Для того чтобы упростить описание работы источника в данном режиме, Vout, далее в тексте будет называться
входом, а Vin, наоборот, выходом. Также будет рассмотрен только тот случай, когда напряжение Vinter всегда больше или равно 12 В.
При работе в режиме нагрузки, четырехквадрантный преобразователь регулирует выходной ток, который проходит от Vout к Vin, посредством замера падения напряжения на измерительном резисторе RS2 и последующей регулировки рабочего цикла для поддержания
величины падения напряжения на уровне 50 мВ. Следует отметить, что в данном режиме преобразователь не стабилизирует напряжение и способен управлять только величиной тока.
Поскольку преобразователь U1 генерирует напряжение на шине Vinter, превышающее минимальное значение 12 В, повышающий преобразователь U2 переходит в режим Pass-Thru, а транзистор Q1 оказывается открыт в течение всего периода работы, благодаря чему выходной ток поступает на нагрузку, подключенную к контактам VIN, с минимальными потерями.

Работа преобразователя в режиме нагрузки была проверена на стенде. Для этого Vout схемы, изображенной на рис. 1, был подключен к лабораторному источнику питания, установленному
на 12,5 В, а Vin — к электронной нагрузке, величина тока, протекающего через преобразователь составила 4,5 A. На рис. 5 приведен температурный анализ четырехквадрантного преобразователя LT8714.
На рис. 6 показан внешний вид биполярного двунаправленного источника питания, собранного из двух демонстрационных плат от ADI: платы DC2846A, построенной на базе повышающего преобразователя LTC7804, и DC2240A, построенной на базе четырехквадрантного преобразователя LT8714.

Расчет параметров и подбор компонентов
Для построения решения были выбраны преобразователи LT8714 и LTC7804 благодаря их высокой производительности, эффективности и простоты использования, когда дело касается специализированных функций. Преобразователь линейки Power by Linear LT8714 представляет собой простой в использовании четырехквадрантный контроллер с синхронным выпрямителем и высоким КПД. LTC7804 представляет собой синхронный повышающий преобразователь с интегрированным зарядовым насосом и возможностью работы в режиме Pass-Thru и коэффициентом заполнения100%.
В таблицах 1–3 приведены формулы для расчета параметров преобразователей и подбора компонентов обвязки. Для более глубокого понимания и получения дополнительных сведений о функциональных возможностях компонентов, рекомендуется обратиться к их LTspice-моделям.

Пример расчета
Приведем результаты расчета с использованием формул из таблиц 1–3 для преобразователя, генерирующего на выходе ±10 В при токе 3 А, частоте переключения 200 кГц и КПД 90%:

На основе графика зависимости максимального тока от коэффициента заполнения из документации на LT8714 получим:

L1 и L2 были выбраны как L1 = 10 мкГн, а L2 = 15 мкГн.

Градиент напряжения на Q1, Q2 = 24 В.

Заключение
Преобразователь, представленный в данной статье, является прекрасным выбором для построения биполярных двунаправленных источников питания. Специальные функции преобразователя, такие как активное выпрямление, поддерживают высокую эффективность всего решения, а простая схема управления выходным напряжением обеспечивает легкую интеграцию в системы с процессорным управлением или управлением от внешних источников. Построенная на его основе схема источника позволяет не только решить проблему с нестабильным входным напряжением (в том числе со скачками во время переходных процессов), но и гарантировать стабильный уровень напряжения на выходе устройства во всех режимах работы. LT8714 позволяет с легкостью построить биполярный двунаправленный
преобразователь, а LTC7804 обеспечивает близкий к 100% КПД и еще больше повышает надежность и эффективность устройства, особенно когда речь идет о его применении в автомобильных и промышленных приложениях.