Импульсные преобразователи напряжения уже несколько лет широко используются в современных электронных устройствах в различных секторах, включая промышленный, коммерческий, коммунальный и потребительский. Для маломощных приложений, основанных на преобразовании постоянного тока в постоянный (DC/DC), большинство современных преобразований напряжения реализуется с использованием трех основных типов топологий преобразователя: понижающего, повышающего и повышающе-понижающего.
Однако для некоторых конкретных электронных схем требуются источники питания с отрицательным напряжением на выходе. Инвертирующий импульсный преобразователь представляет собой тип преобразователя постоянного тока, который позволяет подавать отрицательное напряжение. Большинство базовых топологий преобразователей постоянного тока можно модифицировать для работы в качестве инвертирующих преобразователей.
Основная цель инвертирующего преобразователя – обеспечить отрицательное напряжение на выходе. Помимо этой функции, топология инвертирования полярности чрезвычайно полезна для питания нагрузок, не зависящих от полярности по отношению к заземлению системы, но питаемых входным напряжением, которое может быть выше или ниже выходного напряжения. В инвертирующей топологии обычно используется один дроссель и не требуется развязывающий конденсатор. Это приводит к использованию меньшего количества компонентов для реализации инвертирующей топологии. Однако из-за узкого диапазона приложений, для которых она предназначена, она используется реже, чем другие топологии базовых преобразователей постоянного тока. Для сценариев, которые имеют дело с большими токами выпрямителя, используется либо синхронное понижающее, либо синхронное повышающее устройство. Это помогает повысить КПД за счет снижения кондуктивных потерь.
Реализация инвертирующего преобразователя может быть выполнена многими способами. Это может быть преобразование положительного напряжения в отрицательное с помощью любого понижающего устройства. Это также может быть сделано с помощью преобразования отрицательного напряжения в положительное с помощью любого повышающего устройства. Одним из конкретных типов топологий инвертирующего преобразователя является инвертирующий повышающе-понижающий преобразователь. На следующем рисунке представлены топологии понижающего преобразователя, повышающего преобразователя и инвертирующего преобразователя. Из него видно, что это простой и недорогой инвертирующий преобразователь полярности с небольшим количеством компонентов силового каскада. Его преимущества заключаются в меньшем количестве компонентов и меньшей сложности разработки, а его реализация может быть выполнена с использованием стандартной интегральной микросхемы стабилизатора верхнего плеча.
Известно, что ориентация входного напряжения инвертируется за счет использования настоящей обратноходовой топологии, и она похожа на обычную топологию обратноходового преобразователя, поскольку имеет соотношение витков 1:1. Ток импульсный как на входе, так и на выходе. Поскольку выходное напряжение возвращается к узлу ключа, оно называется обратным напряжением, и, таким образом, напряжение на полупроводниковом ключе представляет собой сумму как входного, так и выходного напряжения. Контроллер опирается либо на отрицательный вход, либо на выход, таким образом, он должен выдерживать сумму входного и выходного напряжений.
Понижающе-повышающий преобразователь с инвертированием полярности представляет собой базовую топологию преобразования напряжения. Он реализуется с использованием активного ключа (обычно MOSFET), пассивного ключа (обычно диода) и катушки индуктивности. На следующем рисунке показана работа инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя. Когда ключ находится в проводящем состоянии, входное напряжение присутствует на катушке индуктивности, направляя ток на землю. В этом случае энергия запасается в воздушном зазоре. Когда диод проводит ток, а ключ выключен, напряжение на катушке индуктивности меняется и приводит к проводимости выпрямителя. Это приводит к отрицательному напряжению на выходе. Ток, протекающий во включенном состоянии, обычно называют током намагничивания (зеленая стрелка), тогда как ток, протекающий во время выключенного состояния, называют током обратного хода (красная стрелка). Энергия, накопленная в катушке индуктивности во время включения, используется для управления током обратного хода.
Передаточная функция для этой топологии может быть представлена следующим образом:
Vвых = −Vвых x (Tвкл/Tвыкл)
Отношение времени включения к времени выключения называется коэффициентом заполнения и обозначается D.
Итоги
- Инвертирующий импульсный преобразователь представляет собой тип преобразователя постоянного тока, который обеспечивает подачу отрицательного напряжения.
- В инвертирующей топологии обычно используется один дроссель и не требуется никакого разделительного конденсатора.
- Понижающе-повышающий преобразователь с инвертированием полярности представляет собой простой и недорогой инвертирующий преобразователь с очень небольшим количеством компонентов силового каскада.
- Передаточная функция инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя может быть представлена как Vвых = −Vвых x (Tвкл/Tвыкл).
© digitrode.ru