引言
大多數(shù)實(shí)際的電子設(shè)備都要求有一個(gè)輸入電壓源。其可以是針對(duì)手持或便攜式設(shè)備的電池、針對(duì)家庭消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的 115-V AC 線(xiàn)壓源或壁式電源，也可以是針對(duì)工業(yè)或電信應(yīng)用的一個(gè)穩(wěn)壓 DC 電壓總線(xiàn)。一般而言，輸入電壓源必須被轉(zhuǎn)換為一個(gè)或多個(gè)低電壓源，以為諸如處理器、存儲(chǔ)器、FPGA 或其他邏輯電路等單獨(dú)的電路供電。降壓轉(zhuǎn)換器通常用來(lái)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(gè)負(fù)電壓，此類(lèi)應(yīng)用包括音頻放大器、線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)器及接收機(jī)或儀表放大器。在此類(lèi)情況下，將降壓轉(zhuǎn)換器配置成一個(gè)反相降壓－升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出電壓相對(duì)接地而言為負(fù)）是有可能實(shí)現(xiàn)的。
基本降壓拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。藍(lán)色虛線(xiàn)框中的組件通常會(huì)被集成到轉(zhuǎn)換器的集成電路中，而該虛線(xiàn)框外面的一些組件則是所需的外部組件。
圖 1 降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
當(dāng) FET 開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，電感的電壓為 VIN – VOUT，同時(shí)通經(jīng)電感的電流以如下速率上升：
當(dāng)開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，電感電壓將會(huì)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(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟和關(guān)閉的兩種狀態(tài)下，恒定負(fù)載電流一直由電感承載。平均電感電流等于負(fù)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(kāi)關(guān)頻率；L 為輸出電感。
反相降壓—升壓拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。相對(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)；同時(shí)，由于輸出電壓為負(fù)，因此輸出電容器的極性被巔倒。在運(yùn)行期間，當(dāng) FET 開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，電感電壓為VIN，且電流以 di/dt = VIN/L 的速率斜坡上升。FET 開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài)的同時(shí)，總負(fù)載電流由存儲(chǔ)于輸出電容中的能量提供。當(dāng) FET 開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，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(shí)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(fù)載提供電流，并對(duì)開(kāi)啟期間電容損失的能量進(jìn)行補(bǔ)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)
當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器被用作降壓－升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，電路運(yùn)行中的這些基本差異就顯得非常重要了。
設(shè)計(jì)考慮因素
當(dāng)在一個(gè)反相降壓－升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用非同步降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，我們必須要考慮到一些問(wèn)題。設(shè)計(jì)方程式需以簡(jiǎn)化的形式給出，使用理想的半導(dǎo)體，并忽略其他組件的損耗。為了實(shí)施圖 2 中所示的降壓－升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，要將降壓轉(zhuǎn)換器接地引腳連接至 VOUT，同時(shí)要將輸出電容的正導(dǎo)線(xiàn)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(fù)載電流減少至原來(lái)的 1 – D。因此，就本設(shè)計(jì)而言，最大有效 DC 負(fù)載電流為 ISW × (1 – D) = ILoad，其中，ISW 為高側(cè)開(kāi)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(shí)電路將開(kāi)始在非連續(xù)傳導(dǎo)模式中運(yùn)行，而電感 AC 紋波電流還決定了該 DC 輸出電流的大小。當(dāng) DC 輸出電流等于峰至峰 AC 電流的一半時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種運(yùn)行模式。一般而言，這一限制會(huì)比電流限制更為嚴(yán)格。紋波電流還會(huì)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(duì)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(yùn)行之間存在著極大的差異。當(dāng)高負(fù)載電流使在非連續(xù)模式中運(yùn)行穩(wěn)定的設(shè)計(jì)運(yùn)行于連續(xù)模式時(shí)（在該模式運(yùn)行期間反饋回路包含了一個(gè)右半平面零點(diǎn)1），這些設(shè)計(jì)可能會(huì)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(shuō)明這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間存在的一些性能差異，我們?yōu)槊恳活?lèi)型結(jié)構(gòu)均構(gòu)建了一個(gè)測(cè)試電路。這兩個(gè)電路均使用一個(gè) 24－V 輸入電壓。降壓轉(zhuǎn)換器在電流為 2A 時(shí)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(shí)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(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓均不同，在每幅圖左側(cè)位置用 C2 標(biāo)明接地參考線(xiàn)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(xiàn)性斜坡特征。在降壓轉(zhuǎn)換器中，AC 部分電流通過(guò)輸出濾波器電容被分路至接地的同時(shí)，向負(fù)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(lèi)似于在 FET 開(kāi)關(guān)開(kāi)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(kāi)關(guān)開(kāi)啟期間提供負(fù)載電流，同時(shí)在開(kāi)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(fù)雜的紋波電流。請(qǐng)謹(jǐn)記，輸出電壓為負(fù)，因此波形的正向部分代表變?yōu)楦∝?fù)值的輸出，或者周期的放電部分。
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(kāi)關(guān)電流情況，每一個(gè)轉(zhuǎn)換器都具有相同的 2A 負(fù)載電流。正脈沖代表了傳導(dǎo)期間流經(jīng)開(kāi)關(guān)至電感的電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，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(kāi)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(dǎo)期間的平均電流等于輸出電流。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，在開(kāi)關(guān)開(kāi)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(kāi)關(guān)開(kāi)啟期間的平均開(kāi)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(kāi)關(guān)電流
以及開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓
圖 4 降壓輸出電壓紋波以及開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓 圖 6 降壓開(kāi)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(chǎng)，可能還有一些除最小占空比或開(kāi)啟時(shí)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(gè)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(dòng)時(shí)，輸出為 0 V；因此，無(wú)論 VIN 和 VOUT 之間的差值如何，保證正確啟動(dòng)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(gè)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(fù)輸出電壓。雖然電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，但是應(yīng)謹(jǐn)記這些重要事項(xiàng)。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(huì)低于器件額定電流。輸出電壓為負(fù)，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(guò)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。 |
