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四象限DC/DC开关稳压器实现从正至负输出电压的平滑转换以满足FPGA和其他应用需要
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在很多电子系统中，有必要为特定类型负载提供双极性 (正和负) 电压或电流。需要双极性电压/电流的负载包括 FPGA体偏置应用、热电冷却器、DC 电动机以及其他很多类型的应用。
有很多传统方法可为负载提供双极性电压/电流。H 桥式设计经常使用，但是要求负载的两个端子均不能直接接地。负载的两个端子均须在正电源轨和地之间摆动，为了滤除这种斩波波形，通常会给负载串联一个电感器。负载不能直接接地可能使整个系统的机械及电气设计复杂化。H 桥式方法还需要 4 个开关组件和更加复杂的控制方法。有些负载有负端子，这种端子不能施加高偏压 (相对于地)，例如：FPGA 反向偏压应用。
另一种传统方法是建立两个电源轨，一个正轨和一个负轨。人们使用各种不同的电路在稳压的正或负轨中“进行掉换”，以实现电压可低于地的双极性工作。这导致一种非常复杂的系统，一般而言效率较低，而且当输出电压跨越地电位时，会产生非线性响应。
本文给出一种新的 DC/DC 开关架构，该架构能够实现真正的 4 象限工作，这意味着，输出电压可以为正或负，电流也可以在两个方向上流动。此外，这种新架构产生的输出电压能够从一种极性向另一种极性、穿过地电位平滑转换，而且这种转换模式不产生任何非线性问题。
四象限 DC/DC 转换器
图 1 显示了这种 4 象限转换器的基本连接和组件。NFET (MN) 和 PFET (MP) 之间在反相以及恒定开关频率工作。电流模式控制 (图中未显示) 在需要时用来调制 MN 的占空比。
图 1：四象限 DC/DC 转换器拓扑
如果我们假定，该电路以固定频率工作，那么 MN 接通时间的占空比可以计算如下：
从这个等式中可以清楚地看出，在 VIN电压为正时，输出电压 VOUT可以为正 (最高为 VIN) 或负 (仅受实际 DC 因素的限制)，也可以为 0V。实际上，0V 输出电平并没什么特殊之处，因为在这个工作点上，该转换器 DC 的占空比为 50%。
无论输出电压是什么极性，该转换器的输出都可以吸收或提供电流，从而使这个电路成为真正以 4 象限工作的拓扑。MN 和 MP 上的最高漏极至源极电压均为 2VIN– VOUT。例如，如果 VIN为 +12V，VOUT为 -12V，那么两个 FET 的 BVDSS 额定值必须都高于 36V。
四象限拓扑中的 LT8710
凌力尔特公司不久前推出的控制器 LT8710 可用于 4 象限拓扑。图 2 显示了一个配置为这种拓扑的完整电路，该电路已经过全面测试。这个电路的输入电压典型值为 12V，但是允许范围为 11V 至 13V。输出在 +5V 至 -5V 范围内可调，输出电流可达 ±3A。模拟控制信号 VCNTL 用来调节输出电压。LT8710 是一款 80V 控制器，因此可用来构成提供更高或更低电压及电流的其他很多版本之 4 象限转换器。
图 2：用 LT8710 构成的 4 象限转换器
该转换器的 4 象限工作能力如图 3 所示。其中，正弦曲线控制信号用来产生以 0V 为中心的正弦曲线输出电压。电感器电流可为正或负，无论是正是负，都必须让输出电压达到所要求的值。这些工作波形显示，该转换器可干净、平滑地穿越地电位工作。使用正弦波控制信号是一种随意选择，DC 信号、方波信号或其他任何类型的信号都可以使用。
图 3：正弦波输出电压穿过 0V（5ms/DIV：每格 5ms）
应用
有很多应用可以利用这种 4 象限 DC/DC 转换器。在高性能数字电路中 (比如 FPGA)，体反向偏压可用于显着降低静态功耗，同时保持或改善动态性能。PMOS 和 NMOS 器件的体电压可独立控制以调节器件的门限 (VT)。当 FPGA 要求较低时，可将门限调节得较高，从而显著地降低这些数字构件中的泄漏电流。当 FPGA 要求较高时，可以降低门限，从而提高速度，并因此提高 FPGA 性能。图 4 显示了一个这种应用的高级方框图。请注意，对于 NMOS 体偏置，电压通常为 0V±300mV，这非常适合于四象限拓扑。
图 4：FPGA体偏置应用（FORU-QUARDRANT LT8710 DC/DC CONVERTER: 四象限 LT8710 DC/DC 转换器）
可从 4 象限拓扑受益的另一种应用是 DC 电动机驱动器。在很多情况下，DC 电动机需要速度调节以及反向能力。用于 4 象限转换器的 LT8710 能够同时满足这两种要求。图 5 显示了一个这类应用。请注意，DC 电动机的负端可以简单地连接至地，而正端可在正和负 10V 之间调节。与 DC 电动机驱动应用类似，4 象限拓扑还能用来驱动热电冷却器 (TEC)、音频扬声器以及其他很多应用。
图 5：驱动方向可反转的 DC 电动机驱动器（FOUR-QUADRANT LT8710 DC/DC CONVERTER：4 象限 LT8710 DC/DC 转换器；+10V (FULL FORWARD) TO -10V (FULL REVERSE)：+10V (全正向) 至 -10V (全反向)；MOTOR DRIVE CONTROL：电动机驱动控制）
结论
用于 4 象限 DC/DC 转换器拓扑的 LT8710 是一款强大的电路器件，能产生正和负输出电压以及正和负输出电流。与输出串联的电感器 (图 2 中的 L2) 降低了输出电压纹波。产生接近地的输出电压之过程也得到了简化，因为在这种情况下，占空比接近 50%。很多应用可受益于这一电路，包括但不限于 FPGA体偏置、DC 电动机驱动、热电冷却器以及音频驱动器。
有很多传统方法可为负载提供双极性电压/电流。H 桥式设计经常使用，但是要求负载的两个端子均不能直接接地。负载的两个端子均须在正电源轨和地之间摆动，为了滤除这种斩波波形，通常会给负载串联一个电感器。负载不能直接接地可能使整个系统的机械及电气设计复杂化。H 桥式方法还需要 4 个开关组件和更加复杂的控制方法。有些负载有负端子，这种端子不能施加高偏压 (相对于地)，例如：FPGA 反向偏压应用。
另一种传统方法是建立两个电源轨，一个正轨和一个负轨。人们使用各种不同的电路在稳压的正或负轨中“进行掉换”，以实现电压可低于地的双极性工作。这导致一种非常复杂的系统，一般而言效率较低，而且当输出电压跨越地电位时，会产生非线性响应。
本文给出一种新的 DC/DC 开关架构，该架构能够实现真正的 4 象限工作，这意味着，输出电压可以为正或负，电流也可以在两个方向上流动。此外，这种新架构产生的输出电压能够从一种极性向另一种极性、穿过地电位平滑转换，而且这种转换模式不产生任何非线性问题。
四象限 DC/DC 转换器
图 1 显示了这种 4 象限转换器的基本连接和组件。NFET (MN) 和 PFET (MP) 之间在反相以及恒定开关频率工作。电流模式控制 (图中未显示) 在需要时用来调制 MN 的占空比。
图 1：四象限 DC/DC 转换器拓扑
如果我们假定，该电路以固定频率工作，那么 MN 接通时间的占空比可以计算如下：
从这个等式中可以清楚地看出，在 VIN电压为正时，输出电压 VOUT可以为正 (最高为 VIN) 或负 (仅受实际 DC 因素的限制)，也可以为 0V。实际上，0V 输出电平并没什么特殊之处，因为在这个工作点上，该转换器 DC 的占空比为 50%。
无论输出电压是什么极性，该转换器的输出都可以吸收或提供电流，从而使这个电路成为真正以 4 象限工作的拓扑。MN 和 MP 上的最高漏极至源极电压均为 2VIN– VOUT。例如，如果 VIN为 +12V，VOUT为 -12V，那么两个 FET 的 BVDSS 额定值必须都高于 36V。
四象限拓扑中的 LT8710
凌力尔特公司不久前推出的控制器 LT8710 可用于 4 象限拓扑。图 2 显示了一个配置为这种拓扑的完整电路，该电路已经过全面测试。这个电路的输入电压典型值为 12V，但是允许范围为 11V 至 13V。输出在 +5V 至 -5V 范围内可调，输出电流可达 ±3A。模拟控制信号 VCNTL 用来调节输出电压。LT8710 是一款 80V 控制器，因此可用来构成提供更高或更低电压及电流的其他很多版本之 4 象限转换器。
图 2：用 LT8710 构成的 4 象限转换器
该转换器的 4 象限工作能力如图 3 所示。其中，正弦曲线控制信号用来产生以 0V 为中心的正弦曲线输出电压。电感器电流可为正或负，无论是正是负，都必须让输出电压达到所要求的值。这些工作波形显示，该转换器可干净、平滑地穿越地电位工作。使用正弦波控制信号是一种随意选择，DC 信号、方波信号或其他任何类型的信号都可以使用。
图 3：正弦波输出电压穿过 0V（5ms/DIV：每格 5ms）
应用
有很多应用可以利用这种 4 象限 DC/DC 转换器。在高性能数字电路中 (比如 FPGA)，体反向偏压可用于显着降低静态功耗，同时保持或改善动态性能。PMOS 和 NMOS 器件的体电压可独立控制以调节器件的门限 (VT)。当 FPGA 要求较低时，可将门限调节得较高，从而显著地降低这些数字构件中的泄漏电流。当 FPGA 要求较高时，可以降低门限，从而提高速度，并因此提高 FPGA 性能。图 4 显示了一个这种应用的高级方框图。请注意，对于 NMOS 体偏置，电压通常为 0V±300mV，这非常适合于四象限拓扑。
图 4：FPGA体偏置应用（FORU-QUARDRANT LT8710 DC/DC CONVERTER: 四象限 LT8710 DC/DC 转换器）
可从 4 象限拓扑受益的另一种应用是 DC 电动机驱动器。在很多情况下，DC 电动机需要速度调节以及反向能力。用于 4 象限转换器的 LT8710 能够同时满足这两种要求。图 5 显示了一个这类应用。请注意，DC 电动机的负端可以简单地连接至地，而正端可在正和负 10V 之间调节。与 DC 电动机驱动应用类似，4 象限拓扑还能用来驱动热电冷却器 (TEC)、音频扬声器以及其他很多应用。
图 5：驱动方向可反转的 DC 电动机驱动器（FOUR-QUADRANT LT8710 DC/DC CONVERTER：4 象限 LT8710 DC/DC 转换器；+10V (FULL FORWARD) TO -10V (FULL REVERSE)：+10V (全正向) 至 -10V (全反向)；MOTOR DRIVE CONTROL：电动机驱动控制）
结论
用于 4 象限 DC/DC 转换器拓扑的 LT8710 是一款强大的电路器件，能产生正和负输出电压以及正和负输出电流。与输出串联的电感器 (图 2 中的 L2) 降低了输出电压纹波。产生接近地的输出电压之过程也得到了简化，因为在这种情况下，占空比接近 50%。很多应用可受益于这一电路，包括但不限于 FPGA体偏置、DC 电动机驱动、热电冷却器以及音频驱动器。
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