【導讀】在電路中，開關穩壓器與電容等元器件一樣產生輸出電壓，正因為這一功能使得開關穩壓器被用于給特定的負載提供電壓或電流。雖然很多方法都能實現這種電壓或電流的提供，但是本文要講解的四象限直流開關穩壓器有其獨特的優勢。
很多的傳統方法都能實現這種電壓和電流的提供，但是條件就是負載的兩個端子不能直接進行接地。在很多電子系統中，有必要為特定類型負載提供雙極性（正和負）電壓或電流。需要雙極性電壓/電流的負載包括FPGA體偏置應用、熱電冷卻器、DC電動機以及其他很多類型的應用。
有很多傳統方法可為負載提供雙極性電壓/電流。H橋式設計經常使用，但是要求負載的兩個端子均不能直接接地。負載的兩個端子均須在正電源軌和地之間擺動，為了濾除這種斬波波形，通常會給負載串聯一個電感器。負載不能直接接地可能使整個系統的機械及電氣設計復雜化。H橋式方法還需要4個開關組件和更加復雜的控制方法。有些負載有負端子，這種端子不能施加高偏壓（相對于地），例如：FPGA反向偏壓應用。
另一種傳統方法是建立兩個電源軌，一個正軌和一個負軌。人們使用各種不同的電路在穩壓的正或負軌中“進行掉換”，以實現電壓可低于地的雙極性工作。這導致一種非常復雜的系統，一般而言效率較低，而且當輸出電壓跨越地電位時，會產生非線性響應。
本文給出一種新的DC/DC開關架構，該架構能夠實現真正的4象限工作，這意味著，輸出電壓可以為正或負，電流也可以在兩個方向上流動。此外，這種新架構產生的輸出電壓能夠從一種極性向另一種極性、穿過地電位平滑轉換，而且這種轉換模式不產生任何非線性問題。
四象限DC/DC轉換器
圖1 四象限DC/DC轉換器拓撲
圖1顯示了這種4象限轉換器的基本連接和組件。NFET(MN)和PFET(MP)之間在反相以及恒定開關頻率工作。電流模式控制（圖1中未顯示）在需要時用來調制MN的占空比。如果我們假定，該電路以固定頻率工作，那么MN接通時間的占空比可以計算如下：
從這個等式中可以清楚地看出，在VIN電壓為正時，輸出電壓VOUT可以為正（最高為VIN）或負（僅受實際DC因素的限制），也可以為0V。實際上，0V輸出電平并沒什么特殊之處，因為在這個工作點上，該轉換器DC的占空比為50%.
無論輸出電壓是什么極性，該轉換器的輸出都可以吸收或提供電流，從而使這個電路成為真正以4象限工作的拓撲。MN和MP上的最高漏極至源極電壓均為2VIN– VOUT。例如，如果VIN為+12V，VOUT為-12V，那么兩個FET的BVDSS額定值必須都高于36V。
四象限拓撲中的LT8710
圖2 用LT8710構成的4象限轉換器
T8710可用于4象限拓撲。圖2顯示了一個配置為這種拓撲的完整電路，該電路已經過全面測試。這個電路的輸入電壓典型值為12V，但是允許范圍為11V至13V。輸出在+5V至-5V范圍內可調，輸出電流可達±3A。模擬控制信號VCNTL用來調節輸出電壓。LT8710是一款80V控制器，因此可用來構成提供更高或更低電壓及電流的其他很多版本之4象限轉換器。
圖3 正弦波輸出電壓穿過0V
該轉換器的4象限工作能力如圖3所示。其中，正弦曲線控制信號用來產生以0V為中心的正弦曲線輸出電壓。電感器電流可為正或負，無論是正是負，都必須讓輸出電壓達到所要求的值。這些工作波形顯示，該轉換器可干凈、平滑地穿越地電位工作。使用正弦波控制信號是一種隨意選擇，DC信號、方波信號或其他任何類型的信號都可以使用。
圖4 FPGA體偏置應用
有很多應用可以利用這種4象限DC/DC轉換器。在高性能數字電路中（比如FPGA），體反向偏壓可用于顯著降低靜態功耗，同時保持或改善動態性能。PMOS和NMOS器件的體電壓可獨立控制以調節器件的門限（VT）。當FPGA要求較低時，可將門限調節得較高，從而顯著地降低這些數字構件中的泄漏電流。當FPGA要求較高時，可以降低門限，從而提高速度，并因此提高FPGA性能。圖4顯示了一個這種應用的高級方框圖。請注意，對于NMOS體偏置，電壓通常為0V±300mV，這非常適合于四象限拓撲。 
圖5 驅動方向可反轉的DC電動機驅動器
可從4象限拓撲受益的另一種應用是DC電動機驅動器。在很多情況下，DC電動機需要速度調節以及反向能力。用于4象限轉換器的LT8710能夠同時滿足這兩種要求。圖5顯示了一個這類應用。請注意，DC電動機的負端可以簡單地連接至地，而正端可在正和負10V之間調節。與DC電動機驅動應用類似，4象限拓撲還能用來驅動熱電冷卻器（TEC）、音頻揚聲器以及其他很多應用。用于4象限DC/DC轉換器拓撲的LT8710是一款強大的電路器件，能產生正和負輸出電壓以及正和負輸出電流。與輸出串聯的電感器（圖2中的L2）降低了輸出電壓紋波。產生接近地的輸出電壓之過程也得到了簡化，因為在這種情況下，占空比接近50%.很多應用可受益于這一電路，包括但不限于FPGA體偏置、DC電動機驅動、熱電冷卻器以及音頻驅動器。
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