在电子电路设计领域，电源的设计至关重要，尤其是双极性电源的产生，它能让负载同时使用正电压和负电压。本文将深入探讨如何产生双极性电源，以及相关电路的设计与应用。
台式电源（PS）通常有偶数个端口（忽略机箱端口），包括一个正端口和一个负端口。利用台式电源产生正极性输出很容易，只需将负输出设置为 GND，将正输出电压设置为所需的正输出值；产生负电源则将上述设置反转即可。然而，要产生能让负载同时使用正电压和负电压的双极性电源，方法是将一个实验室通道的正端口连接到另一个通道的负端口，并将其称为 GND，另外两个端口（正和负）分别作为正负电源，这样就得到一个三端口双极性电源，可提供 GND、正和负电压电平。不过，由于使用了三个端口，在电源下游的正电源和负电源之间必须进行某种切换。
在汽车和工业环境中，有些应用需要双极性、可调节的双端口电源，即同一电源端口要能为正或负（仅向负载提供两个端口的设置）。传统双极性电源使用三个输出端口产生两路输出：正、负和 GND；而单路输出电源应仅配备两个输出端口，一个 GND 和另一个可以为正也可以为负的输出端口。在此类应用中，输出电压可以通过单个控制信号在从负值到正值的全部范围内相对于 GND 调节。虽然有些控制器专门用于实现双极性电源功能，例如双极性输出同步控制器 LT8714，但对于许多汽车和工业制造商而言，对专用 IC 进行测试和需要投入一定的时间和金钱。而许多制造商已经拥有预的降压转换器和控制器，因此利用降压转换器产生双极性电源是一个不错的选择。
图 1 展示了基于降压转换器的双极性（二象限）可调电源解决方案。输入电压范围为 12V 至 15V，输出为 ±10V 范围内的任何电压，由控制块调节，支持高达 6A 的负载。双路输出降压控制器 IC 是此设计的器件。每个降压–升压拓扑连接的一路输出产生稳定的 -12V 电压（即图 1 中的 -12V 负轨，其功率链路包括 L2、Q2、Q3 和输出滤波器 CO2）。-12V 电压轨用作第二通道的接地，控制器的接地引脚也连接到 -12V 电压轨。总的来说，这是一个降压转换器，其输入电压为 -12V 和 VIN 之间的差值。输出可调，相对于 GND 可正可负。反馈电阻分压器 RB–RA 设置输出电压，该分压器的值由输出电压控制电路调节，此电路可通过向 RA 注入电流来将输出调节至输出电压（负输出）。应用启动特性由 RUN 和 TRACK/SS 引脚的端接电阻设置。
两路输出均在强制连续导通模式下工作。在输出控制电路中，0μA 至 200μA 电流源 ICTRL 在实验室测试时连接到负轨，但也可以 GND 为基准。低通滤波器 RF1–CF 可降低快速输出瞬变。为了缩减转换器的成本和尺寸，使用相对便宜的极化电容形成输出滤波器。可选二极管 D1 和 D2 用于防止这些电容上产生反向电压，尤其是在启动时。如果仅使用陶瓷电容，则不需要二极管。
本解决方案基于 LTC3892 和评估套件 DC1998A 与 DC2493A 进行过测试和评估。该转换器在众多测试中表现良好，包括电压和负载调整、瞬态响应以及输出短路。图 2 显示了启动至 6A 负载、输出为 +10V 的情况。控制电流和输出电压之间的函数线性度如图 3 所示，随着控制电流从 0μA 增加到 200μA，输出电压从 +10V 降至 -10V。图 4 显示了效率曲线。为了简化该方法的采用，开发了该双极性、双端子电源的 LTspice? 模型，允许设计人员分析和仿真上述电路，引入变化，查看波形，以及研究器件应力。
这种方法基于设计的降压–升压部分产生的负电压轨 VNEG。通过一系列公式可以计算双极性电源的电压应力、流过功率链路器件的电流以及控制电路的参数。例如，对于一个从 14V 输入电压产生 6A、±10V 输出的电源，如果 Km 为 0.2，则 VNEG = –12V。验证输入电压 VIN ≥|VNEG | 的条件，半导体器件 VBUCK 的电压应力为 26V。降压部分的电压为 VBUCK (MAX) = 22V，相对于负电压轨；输出电压设置为 +10V，相对于 GND。电压 VBUCK (MIN) = 2V，对应于 -10V（相对于 GND）的输出电压。这些和电压对应于和占空比，DBUCK (MAX) = 0.846，DBUCK (MIN) = 0.077，DBB = 0.462。功率可通过假设效率为 90% 来计算，产生 POUT (BB) = 66.67W，IOUT (BB) = 5.56A，IL (BB) = 10.37A，PBB = 74.074W。对于 +10V 的输出电压，控制电路电流?I 为 0μA，而对于 -10V 的输出电压，?I = 200μA。
综上所述，基于降压转换器拓扑结构的双极性、双端子电源设计，作为现代电源电子的主力技术，能以各种形式提供，从带外部器件的简单控制器到完整模块应有尽有。采用这种拓扑结构可以赋予设计人员灵活性，并且可以选择使用预器件，从而节省时间和成本。
图 1. 两端子、双极性、可调节电源的电气原理图
图 2. 进入电阻负载的启动波形
图 3. VOUT 与控制电流 ICTRL L 的关系。当 I CTRL 从 0 A 增加到 200μA 时，输出电压从 +10 V 降至 -10 V。
图 4. 正负输出的效率曲线
