引言
大多數(shù)實際的電子設(shè)備都要求有一個輸入電壓源。其可以是針對手持或便攜式設(shè)備的電池、針對家庭消費類電子產(chǎn)品的 115-V AC 線壓源或壁式電源，也可以是針對工業(yè)或電信應(yīng)用的一個穩(wěn)壓 DC 電壓總線。一般而言，輸入電壓源必須被轉(zhuǎn)換為一個或多個低電壓源，以為諸如處理器、存儲器、FPGA 或其他邏輯電路等單獨的電路供電。降壓轉(zhuǎn)換器通常用來從較高的電壓源獲得所需的輸入電壓。在某些應(yīng)用中，可能需要從正輸入電壓源生成一個負電壓，此類應(yīng)用包括音頻放大器、線路驅(qū)動器及接收機或儀表放大器。在此類情況下，將降壓轉(zhuǎn)換器配置成一個反相降壓－升壓拓撲結(jié)構(gòu)（該拓撲結(jié)構(gòu)的輸出電壓相對接地而言為負）是有可能實現(xiàn)的。
基本降壓拓撲結(jié)構(gòu)
為了了解反相降壓－升壓電路的工作原理，首先要考慮降壓轉(zhuǎn)換器的基本拓撲結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。藍色虛線框中的組件通常會被集成到轉(zhuǎn)換器的集成電路中，而該虛線框外面的一些組件則是所需的外部組件。
圖 1 降壓拓撲結(jié)構(gòu)
當 FET 開關(guān)處于開啟狀態(tài)時，電感的電壓為 VIN – VOUT，同時通經(jīng)電感的電流以如下速率上升：
當開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時，電感電壓將會發(fā)生逆變，以維持電感電流的連續(xù)性。假設(shè)二極管的壓降較小，那么電感電流將以 di/dt = VOUT/L 的速率斜坡下降。在 FET 開關(guān)處于開啟和關(guān)閉的兩種狀態(tài)下，恒定負載電流一直由電感承載。平均電感電流等于負載電流，且峰至峰電感紋波電流為：
 .
其中，VIN 為輸入電壓；VOUT 為輸出電壓；D 為占空比 VOUT/VIN；fSW 為開關(guān)頻率；L 為輸出電感。
反相降壓—升壓拓撲結(jié)構(gòu)
將前面所述的工作原理和圖 2 所示的反相降壓－升壓拓撲結(jié)構(gòu)進行對比。相對于圖 1 中的降壓轉(zhuǎn)換器而言，電感和環(huán)流二極管的位置實現(xiàn)了對調(diào)；同時，由于輸出電壓為負，因此輸出電容器的極性被巔倒。在運行期間，當 FET 開關(guān)處于開啟狀態(tài)時，電感電壓為VIN，且電流以 di/dt = VIN/L 的速率斜坡上升。FET 開關(guān)處于開啟狀態(tài)的同時，總負載電流由存儲于輸出電容中的能量提供。當 FET 開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時，電感極性將發(fā)生巔倒，以維持電感電流的連續(xù)性。電感電壓大約為 VOUT，同時電感電流以 di/dt = –VOUT/L 的速率斜坡下降。在關(guān)閉期間，電感為負載提供電流，并對開啟期間電容損失的能量進行補充。因此，就降壓－升壓電路而言，平均電感電流為：
且峰至峰電感電流為：
占空比 D 大約為：
圖 2 反相降壓—升壓拓撲結(jié)構(gòu)
當降壓轉(zhuǎn)換器被用作降壓－升壓轉(zhuǎn)換器時，電路運行中的這些基本差異就顯得非常重要了。
設(shè)計考慮因素
當在一個反相降壓－升壓拓撲結(jié)構(gòu)中使用非同步降壓轉(zhuǎn)換器時，我們必須要考慮到一些問題。設(shè)計方程式需以簡化的形式給出，使用理想的半導體，并忽略其他組件的損耗。為了實施圖 2 中所示的降壓－升壓拓撲結(jié)構(gòu)，要將降壓轉(zhuǎn)換器接地引腳連接至 VOUT，同時要將輸出電容的正導線連接至接地。則連接至 GND器件的 VIN 引腳電壓為 VIN – (–VOUT)，而并非如降壓轉(zhuǎn)換器中的 VIN 那樣。這種組合電壓必須低于所選器件規(guī)定的 VIN。
工作占空比為：
且平均電感電流為：
這些值還不同于降壓轉(zhuǎn)換器的值，其占空比 (D = VOUT/VIN) 和平均電感電流都等于輸出電流。
由于平均輸出電流不能超出器件的額定輸出，所以有效負載電流減少至原來的 1 – D。因此，就本設(shè)計而言，最大有效 DC 負載電流為 ISW × (1 – D) = ILoad，其中，ISW 為高側(cè)開關(guān) FET 的平均額定電流。
另外，由于某些原因，我們應(yīng)保持較小的電感 AC 紋波電流。峰值電感電流（平均電感電流加上峰至峰 AC 電流的一半）必須低于內(nèi)部電路電流限定值。在 DC 輸出電流以下時電路將開始在非連續(xù)傳導模式中運行，而電感 AC 紋波電流還決定了該 DC 輸出電流的大小。當 DC 輸出電流等于峰至峰 AC 電流的一半時，就會出現(xiàn)這種運行模式。一般而言，這一限制會比電流限制更為嚴格。紋波電流還會極大地影響輸出電壓紋波。低電感紋波電流可提供更為穩(wěn)定的輸出電壓。
對反相降壓－升壓轉(zhuǎn)換器而言，非連續(xù)模式和連續(xù)模式運行之間存在著極大的差異。當高負載電流使在非連續(xù)模式中運行穩(wěn)定的設(shè)計運行于連續(xù)模式時（在該模式運行期間反饋回路包含了一個右半平面零點1），這些設(shè)計可能會變得不穩(wěn)定。
VIN 至接地以及 VIN 至 VOUT 的旁路電容應(yīng)該被用于輸入端。VIN 至 VOUT 的旁路和器件電壓輸入端交叉在一起。
典型波形
為了說明這兩種拓撲結(jié)構(gòu)之間存在的一些性能差異，我們?yōu)槊恳活愋徒Y(jié)構(gòu)均構(gòu)建了一個測試電路。這兩個電路均使用一個 24－V 輸入電壓。降壓轉(zhuǎn)換器在電流為 2A 時的輸出電壓為 5-V，而反相降壓－升壓轉(zhuǎn)換器在電流同樣也是 2A 時的輸出電壓為 –5-V。反相降壓－升壓和降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓紋波和開關(guān)節(jié)點波形如圖 3 和圖 4 所示。需要注意的是，該反相降壓－升壓轉(zhuǎn)換器 VIN 至 VOUT 以及降壓轉(zhuǎn)換器 VIN 至接地的開關(guān)節(jié)點電壓均不同，在每幅圖左側(cè)位置用 C2 標明接地參考線壓。還需要注意的是，輸出電壓紋波并未表明典型降壓轉(zhuǎn)換器的線性斜坡特征。在降壓轉(zhuǎn)換器中，AC 部分電流通過輸出濾波器電容被分路至接地的同時，向負載提供平均電感電流。紋波電壓的主要組成部分是 AC 紋波電流乘以輸出電容的等效串聯(lián)電阻，從而形成一種類似于在 FET 開關(guān)開啟期間上升而在關(guān)閉期間下降斜坡的波形。就反相降壓－升壓轉(zhuǎn)換器而言，輸出電容在開關(guān)開啟期間提供負載電流，同時在開關(guān)關(guān)閉期間被重新充電。該充－放電周期與 AC 紋波電流相疊加以生成如圖所示的更為復雜的紋波電流。請謹記，輸出電壓為負，因此波形的正向部分代表變?yōu)楦∝撝档妮敵觯蛘咧芷诘姆烹姴糠帧?span lang="EN-US">
圖 5 和圖 6 分別顯示了反相降壓－升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器的高側(cè)開關(guān)電流情況，每一個轉(zhuǎn)換器都具有相同的 2A 負載電流。正脈沖代表了傳導期間流經(jīng)開關(guān)至電感的電流。當開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時，圖 5 中反相降壓－升壓轉(zhuǎn)換器的電感電流必須保持連續(xù)，并流環(huán)流二極管，而非高側(cè)開關(guān)元件。就圖 6 中的降壓轉(zhuǎn)換器而言，由于電感被直接連接至輸出，因此傳導期間的平均電流等于輸出電流。在這種拓撲結(jié)構(gòu)中，在開關(guān)開啟和關(guān)閉期間， 輸出電流都由電感提供。就反相降壓－升壓轉(zhuǎn)換器而言，情況并不是這樣的；所以，開關(guān)開啟期間的平均開關(guān)電流為 IOUT/(1 – D)。
圖 3 反相降壓—升壓輸出電壓紋波 圖 5 反相降壓—升壓開關(guān)電流
以及開關(guān)節(jié)點電壓
圖 4 降壓輸出電壓紋波以及開關(guān)節(jié)點電壓 圖 6 降壓開關(guān)電流
輸入電壓限制
除了轉(zhuǎn)換器的 VIN – (–VOUT) 輸入電壓限制以外，在低端設(shè)備市場，可能還有一些除最小占空比或開啟時間規(guī)范要求以外的輸入電壓限制。許多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路都包括了一個欠壓鎖定 (UVLO) 電路。在降壓結(jié)構(gòu)中，最小輸入電壓將受 UVLO 電平的限制。這種限制在反相降壓－升壓轉(zhuǎn)換器中也同樣存在；然而，UVLO 閾值和器件接地相關(guān)，其被配置為 VOUT。在啟動時，輸出為 0 V；因此，無論 VIN 和 VOUT 之間的差值如何，保證正確啟動的最小輸入電壓均等于 UVLO 電平。
結(jié)論
如果將電路配置為一個反相降壓－升壓轉(zhuǎn)換器，我們就可以利用降壓轉(zhuǎn)換器從正輸入電壓生成負輸出電壓。雖然電路設(shè)計簡單明了，但是應(yīng)謹記這些重要事項。輸出電流要低于平均電感電流 1 – D 倍，因此有效輸出電流將會低于器件額定電流。輸出電壓為負，并且存在于器件接地引腳上，因此器件輸入端的有效電壓為 VIN – VOUT，該差值一定不要超過器件的輸入電壓額定值。最后，器件的接地不應(yīng)連至系統(tǒng)接地。 |
