Преобразование напряжения в четырех квадрантах

Четырехквадрантный DC/DC преобразователь обеспечивает элегантный способ управления токами и напряжениями и может устанавливать любой уровень тока

Хотя для получения фиксированного выходного напряжения из входного напряжения часто достаточно простого преобразователя, в некоторых приложениях одной лишь такой функции бывает мало. В качестве примера можно привести управление узлом напряжения, к которому подключены конденсаторы. Эти конденсаторы могут быть заряжены до любого напряжения. Если их напряжение нужно понизить, они должны быть частично разряжены. А значит, в таком приложении источник питания должен быть способен по мере необходимости как отдавать, так и принимать ток.

Рисунок 1.	Разряд выходного конденсатора с помощью простого разрядного ключа.

Такой преобразователь называется четырехквадрантным DC/DC преобразователем. Для приложений этого типа можно использовать источник питания с ключом разряда выхода. Он может быстро разряжать выходные конденсаторы. На Рисунке 1 показана реализация такой функции для понижающего импульсного регулятора. Здесь ключ S2 замыкается на длительный период после того, как работа понижающего преобразователя завершается, и выходной конденсатор разряжен.

Четырехквадрантный DC/DC преобразователь

Изящный способ управления токами и напряжениями – это четырехквадрантный DC/DC преобразователь. Обычный понижающий преобразователь работает только в одном квадранте. Он может вырабатывать положительное напряжение с положительным током; то есть током, протекающим от DC/DC преобразователя в нагрузку. С помощью четырехквадрантного преобразователя можно не только разряжать выходные конденсаторы, но и стабилизировать на них напряжение. Это возможно благодаря тому, что ток может течь в направлении нагрузки или забираться из нее. Так обстоит дело с быстрой разрядкой выходных конденсаторов в предыдущем примере.

Однако четырехквадрантный DC/DC преобразователь может даже больше. Он может не только стабилизировать напряжения, но и поддерживать заданный уровень тока. Этот ток может быть положительным или отрицательным. Такие четырехквадрантные преобразователи часто используются в универсальных лабораторных источниках питания. Например, пользователь может проверить светодиод, используя фиксированную уставку тока. Четырехквадрантный преобразователь также позволяет управлять солнечным элементом, действуя как нагрузка, поглощающая заданный ток.

Еще одно интересное применение – тонирование оконных стекол с помощью ЖК-технологии. Это часто требует точной установки напряжения, как в положительном, так и в отрицательном диапазоне, чтобы, в зависимости от доступного количества света и желаемой освещенности в комнате, получить подходящее затенение окна.

На Рисунке 2 показано, что означают четыре квадранта в контексте источника питания. В системе координат, к которой привязаны квадранты, ось X соответствует напряжению, а ось Y – току. Напряжение и ток могут быть как положительными, так и отрицательными.

Рисунок 2.	Режимы работы четырехквадрантного преобразователя напряжения.

Таким образом, DC/DC преобразователь может использоваться и как источник энергии, и как потребитель энергии. Другими словами, преобразователь может работать как источник питания или как электронная нагрузка.

Выпускаемый Analog Devices контроллер четырехквадрантного стабилизатора LT8714 имеет все необходимое для подобного регулирования. Например, с помощью этой микросхемы можно точно поддерживать напряжение 0 В. На Рисунке 3 показана упрощенная схема с микросхемой контроллера и силовым каскадом. Последний состоит из двух дросселей (L1 и L2), двух коммутаторов (Q1 и Q2) и разделительного конденсатора CC. Пояснения, касающиеся соответствующих операций в каждом из квадрантов, а также поведения схемы при переходах из одного квадранта в другой, можно найти в техническом описании LT8714.

Рисунок 3.	Эта упрощенная схема иллюстрирует топологию четырехквадрантного преобразователя.

В некоторых приложениях требуется источник питания, работающий в четырех квадрантах. Благодаря оптимизированному контроллеру, конструкция такой схемы упрощается, а работа, особенно вблизи нередко критической точки пересечения с 0 В, становится чистой и надежной.

Существуют альтернативы использованию четырехквадрантного регулятора, например, топологии импульсных регуляторов, которые для обеспечения возможности работы в нескольких квадрантах должны подключаться параллельно. Однако часто они более затратны, чем подходы, основанные на использовании специализированных четырехквадрантных контроллеров.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices LT8714