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什么是电压轨分离器和电池和 PFC 的虚拟接地?,考腾资讯网
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什么是电压轨分离器和电池和 PFC 的虚拟接地?
2021年12月27日    阅读量:1140    新闻来源:考腾资讯网  |  投稿

轨道分离器通常与电池供电的设备相关联,但情况并非总是如此。“轨道分离器”有多种定义,有时也称为“虚拟地面”或“伪地面”。最常见的含义是创建一个新的“0V”参考点,通常是单个电源电压(例如电池)的中点 Vin/2中国机械网okmao.com。此外,虽然使用两个电阻器的简单分压器可用于创建虚拟接地,但术语轨道分离器通常是指使用有源电路创建虚拟接地。

在多种情况下,分离电压源(例如电池)会很方便。传感器可能需要双极电源电压。或者双极电源可以提高一些模数转换器 (ADC) 和其他 IC 的性能。最近,有源虚拟地已被用于提高单相无桥功率因数校正电路的性能。设计师可以使用多种选项来创建虚拟地面,其中一些示例包括:

  • 无缓冲电阻分压器网络可产生 ±Vin/2,其中中心点变为虚拟接地。添加电容器或齐纳二极管可以提高性能。

  • 用运算放大器缓冲的电阻分压器网络。

  • 使用各种开关模式电源转换拓扑(降压、升压、降压/升压)将 Vin 轨分成双极输出 ±Vout,其中 Vout 不一定是 Vin/2。

  • 使用电压反转电路从 +Vin 产生 -Vout。

  • 专用的导轨分离器 IC 可用于产生两个输出,±Vin/2

  • 反相电荷泵 IC 可用于产生 ±Vin。

  • 双向开关可插入单相无桥功率因数校正电路的前端,以创建“有源虚拟接地”,从而实现低共模电压和低电网侧差模纹波电流。

下图中的 BUF634A 创建了一个从源极缓冲的公共地;缓冲器在负载条件下在轨道之间创建一个更稳定的中心点。虽然这是一种稳定而直接的方法,但这些缓冲放大器电路通常只能处理几毫安并且效率相对较低。

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缓冲放大器轨分配器配置。(图片:德州仪器)

在下图中,开关电容电压逆变器 ADM660 被配置为“轨分路器”。这种配置通过 9V 电池提供双极、+/- 4.5V、双轨电源。通电后,快速电容器 C1 在存储电容器 C2 和 C3 之间交替切换。这种开关操作使这些电容器两端的电压相等。它根据需要从电池汲取电流,以保持虚拟接地(GND 节点)的两个输出电压等于 Vbatt/2。C2 和 C3 通常具有相同的值。

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用于 9V 电池的开关电容器轨分配器。(图片:模拟设备公司)

如果 +4.5 V 和 -4.5 V 对地的负载相等,则 IC 以低电流状态运行并从电池吸取最小电流。为了使电池以虚拟接地 (GND) 为中心,飞跨电容器必须仅提供因负载电流不平衡而产生的差异。电压误差和效率随负载电流变化。

开关电容方法提供比运算放大器缓冲电路更好的效率和比简单电阻分压器网络更好的调节。但由于 IC 的高频操作,它会增加输出噪声。

高效开关电容器轨分配器的第二个示例如下所示。该 IC 采用 SOT23-5 封装,其他组件占用最少的电路板空间。其操作类似于上图所示的开关电容轨分路器:通电后,飞跨电容 (C(fly)) 交替连接在输出电容 C3 和 C O 之间。这将均衡这些电容器上的电压,并根据需要将电流从 V I汲取到 V O以将输出保持在 V I /2。

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配置为高效轨分路器的开关电容器电压逆变器。(图片:德州仪器)

开关式分轨

与已经讨论过的方法相比,基于电感器的开关电源转换器可以提供更高的效率、更好的精度和稳定性,并且可以处理更高的电流。作为这些性能改进的交换,电感调节器是更复杂、更大和更昂贵的解决方案。例如,下面的轨分配器基于具有双极输出的升压转换器,能够以 90% 的效率提供 ±250mA 输出电流,适用于大多数输入和输出电压配置。

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开关模式导轨分离器可处理不平衡的负载电流并提供高效率。(图片:德州仪器)

此外,这种方法更灵活,并不一定要求 Vin 等于分裂轨电压的两倍。在上面的示例中,±5V 电源轨是从 2.9V 至 5V 范围内的输入电源电压获得的,并且该器件已针对稳定的 3.3V 轨和单节锂离子电池进行了优化。其输出电压固定在 ±5 V,用户不可选择。EN 引脚控制输出,EN 引脚上的高逻辑电平启用两个输出,而低逻辑电平禁用两个输出。其他设计可以支持用户可选择的输出电压。

用于功率因数校正的有源虚拟接地

虽然最常见的是将电池电压分成两个轨,但虚拟接地的概念也已应用于单相无桥 PFC (BPFC) 拓扑。虚拟接地 PFC 包括带有附加输入部分的传统 BPFC。新的输入部分称为有源虚拟接地 (AVG)。它用于根据使用 BPFC 电感器的电网电压极性将输入滤波器配置更改为不同的 LCL 拓扑。新的输入部分降低了电网侧差模 (DM) 电流纹波,并且可以采用更小、更低电感的输入扼流圈。此外,LCL 滤波器中的电容器钳位电网和直流总线负极端子之间的电压,为高频组件提供低阻抗路径,减轻共模 (CM) 电压问题。

在实际中,AVG 电路可以连接在 BPFC 的前面。它提供低 CM 电压、低电网侧 DM 纹波电流。它将保持 BPFC 的低传导损耗优势,因为 AVG 与主电流路径并联,并且它只管理潜在的麻烦的高频电流。特别是,导致漏电流问题的 CM 电压可能是许多应用中单相 BPFC 的限制。

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单相无桥 PFC 拓扑中的有源虚拟接地。(图片:曼尼托巴大学)

添加的 AVG 电路使用两个双向开关 SA 和 SB,在上图中,分别连接到电网的线 (L) 和中性线 (N)。虽然双向开关可以使用各种组件(例如用于单相应用的 IGBT 或 MOSFET)进行配置,但背对背连接的 MOSFET 可以提供经济高效的选择。双向开关交替开启并与线路频率同步。电容器(C AB)耦合在双向开关的连接点和负直流总线之间。它用于钳位交流电源和转换器接地之间的电位差。它在直流链路和系统接地之间提供了一个非常低的阻抗路径。

概括

轨分路器和虚拟地是高度自适应的电路,可以采用各种形式,从无源电阻网络到复杂的开关模式拓扑。不同方法在效率、电压稳定性、电流处理能力、成本和解决方案尺寸方面存在多种权衡。轨分路器最初的开发目的是在电池供电系统中为 ADC 和传感器等组件提供双电压轨。最近,“有源虚拟接地”概念已开发使用双向开关插入单相无桥功率因数校正电路的前端,以实现低共模电压和低电网侧差模纹波电流。


标签:机械应用技术中心设备与仪器工业设备
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