負壓變換器是如何設(shè)計的

目前在工業(yè)、汽車電子系統(tǒng)中有諸如溫度、壓力、位置、重量和流量等物理參數(shù)的精確測量，這些信號中的一些傳感器和前置放大器需要正負電壓源驅(qū)動或供電，以提供足夠?qū)挼膭討B(tài)范圍和抗干擾性。這些電子系統(tǒng)通常使用3.3V、5V、12V或24V中的某一電壓的直流電源供電，所以必須使用一個直流變換器從正的電源得到一個負的電壓滿足系統(tǒng)的要求。在本文中將討論各種負壓變換器各種拓樸結(jié)構(gòu)及工作原理，并比較它們各自的優(yōu)缺點，從而為電子工程師提供一些設(shè)計的指導。

1、BUCK-BOOST變換器

基本BUCK-BOOST變換器的結(jié)構(gòu)見圖1所示。主開關(guān)管在輸入側(cè)的高邊，與BUCK變換器相同；二極管在輸入側(cè)的高邊，與BOOST變換器相同，輸出二極管的方向與BOOST變換器的二極管的方向相反，輸出得到負電壓，因此這種結(jié)構(gòu)稱為BUCK-BOOST變換器。

開關(guān)周期開始時，主開關(guān)管導通、電感激磁，電感的電流線性上升。二極管由于承受負電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)，此時輸出的負載電流由輸出的大電容維持；主開關(guān)管關(guān)斷后，二極管導通、電感去磁，電感的電流線性降低，存儲在電感的中的能量向輸出負載傳輸能量，直到下一個周期主開關(guān)管又導通。

圖1：基本的BUCK-BOOST變換器

輸出電壓為：

Vo= -Vin?D/(1-D)

其中， D為占空比。

從公式可以得到：輸出電壓的絕對值可以大于或少于輸入電壓。由于在主開關(guān)管導通期間，輸入電壓不向輸出負載傳輸能量，輸出的負載電流完全由輸出的大電容維持，因此輸出的紋波電壓大。由于后級信號的模擬電路對電源的紋波電壓要求高，因此使用這種結(jié)構(gòu)時，通常在變換器的后面再加LC濾波器，或高性能的線性穩(wěn)壓器，以抑止其輸入側(cè)帶入的噪聲和紋波。

2、CUK變換器

CUK電路采用雙電感結(jié)構(gòu)，可以克服BUCK-BOOST變換器輸出紋波大的缺點，實現(xiàn)低的輸出紋波，CUK變換器的結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2：CUK變換器

在開關(guān)周期開始時，主開關(guān)管導通，電感L1和L2同時激磁，電感的電流線性上升。二極管由于承受負電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)。主開關(guān)管關(guān)斷后，二極管導通，電感L1和L2同時去磁，電感的電流線性降低，到下一個周期主開關(guān)管又導通；注意到在開關(guān)管開通過程中，電感L2存儲能量，在開關(guān)管關(guān)斷的過程中，存儲在電感L2中的能量輸出給負載，因此輸出電壓紋波小。輸出電壓為：

Vo=-Vin?D/(1-D)

從公式可以得到：輸出電壓的絕對值可以大于或少于輸入電壓。CUK變換器需要雙電感，結(jié)構(gòu)變得復雜，成本也增加，同時效率降低。此外，開關(guān)管流過兩個電感的激磁電流，電流的應力大。若使用使用耦合電感，在同樣的磁化電感的條件下，電流紋波減小一半。CUK電路適合于對輸出電壓紋波有較高要求的應用。

CUK電路的耦合電容在主功率回路中，流過高頻的大電流，所以要選用低ESR/ESL的X5R/X7R陶瓷電容。在主開關(guān)管導通時，耦合電容的電流與輸出的負載電流相同，因此可以通過下式來計算：

C?duc/dt=ic

C=D?Ts?Io/a?Vc

其中：Ts為開關(guān)頻率，a為電容電壓的紋波系數(shù)，取0.2~0.3。

CUK電路有一種變形的單電感結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其與標準的CUK的不同在于使用一個二極管代替輸出電感，工作原理與充電泵結(jié)構(gòu)有些類似。

圖3：基于CUK的充電泵變換器

由于使用單電感結(jié)構(gòu)，成本低，但輸出的電壓紋波變大。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于由于輸入結(jié)構(gòu)和BOOST相同，功率管的S極接地，因此可以直接使用N溝道的MOSFET，驅(qū)動簡單；同時電流取樣可以放在低邊，也簡化的設(shè)計，而BUCK-BOOST變換器沒有這種特點。

若對負輸出作調(diào)節(jié)，參考電壓的選取有二種方式：一是控制器可以提供一個負的參考電壓。若控制器不能提供負的參考電壓，就必須外加一個運放作反饋電壓的轉(zhuǎn)化，如圖4(a)所示，外部的運算放大器接為反相放大器，其中， R3=R2。

(a) 利用外部放大器

(b) 利用內(nèi)部放大器

圖4：負輸出電壓的反饋設(shè)計

有些控制器將電壓反饋的誤差放大器的同相端和反相端都引出，如圖4(b)所示，同時提供一個正的參考電壓。此時，若要輸出負電壓，可以將放大器的反相端接地，同相端在外部通過一個電阻接到正的參考電壓，并且通過另一個電阻接到負輸出端，即可以得到負的輸出電壓。由放大器的工作原理，運放的同相端的電壓必須為0，同時流入同相端的電流為0，所以：

Vref/Rref=Vo/RVo

同相端的電壓為：

V+=(Vref?RVo-Vo?Rref)/(Rref+RVo)

當輸出電流增加，輸出的電壓Vo絕對值降低，同相端的電壓V+增加，內(nèi)部電壓誤差放大器接成同相放大器，所以ITH管電壓也增加，占空比增大，與反饋調(diào)節(jié)的趨勢是一致的。

有些應用需要雙路多路的負輸出電壓如-5V、-12V、-15V及-24V等，為了降低成本，可以對輸出電流最大的一路使用CUK變換器，而對其它的輸出采用在輸出電感加耦合繞組的方法獲取，如圖5所示。這種方式成本低，但效率也較低。

圖5：多路負輸出

由于只能對其中的一路作輸出調(diào)節(jié)，因此對于其它的輸出，如果輸出精確要求不是很高，可以在輸出加穩(wěn)壓管得到需要的電壓。 如果輸出精確要求較高，可以在輸出加線性穩(wěn)壓器 。

注意到CUK電路的左邊和BOOST變換器相同，因此在有升壓BOOST變換器的系統(tǒng)中，可以基于BOOST變換器，額外的加一個電感、二極管和耦合電容，配置成CUK電路，得到一路負壓。通常BOOST變換器處于反饋調(diào)節(jié)，那么，沒有反饋調(diào)節(jié)的CUK就可以通過改變電感的匝數(shù)并在后面加穩(wěn)壓管和線性穩(wěn)壓器得到需要的電壓。

圖6：BOOST正輸出和CUK負輸出

3、負電壓為IC控制器參考基準的BUCK變換器

基于通用BUCK變換器也可以得到負電壓。可以設(shè)想：通用BUCK變換器的輸入、輸出是以地為基準，所以輸入、輸出都為正。如果將負電壓做為IC控制器的參考基準，輸出的正端接地，那么，輸入電壓、輸出的地相對于負電壓的基準，就都為正。

圖7：基于BUCK變換器的負變換器

不同于通用BUCK變換器，這種結(jié)構(gòu)的輸出電流是方波，其峰峰值大于輸出的電流值，而且輸出電壓的紋波和輸出電容的紋波電流也遠大于通用BUCK變換器，通用BUCK變換器的輸出電流是直流值。因此，必要的話，這種變換器可以在其輸出加一級LC濾波器，減小輸出電壓的紋波。

這種變換器有兩種工作模式：非連續(xù)DCM和連續(xù)CCM模式。非連續(xù)DCM的反饋容易設(shè)計，可用較小的電感值，但開關(guān)管中的峰值電流大，因此對于同樣額定電流的開關(guān)管，所得到的輸出電流小。如果輸出的負載電流大，要選用CCM模式，用大的電感值。

通用BUCK變換器續(xù)流二極管流過負載電流，在起動和輸出過載時，也不會產(chǎn)生大電流。這種負變換器在起動和過載時，二極管的電流遠大于正常工作的電流，特別是在CCM工作模式下，必須用較大的電流額定值。

基于通用BUCK變換器也可以配置為負輸出的SEPIC電路，如圖8所示。圖中上部為通用BUCK變換器，得到可以調(diào)節(jié)精確的正輸出電壓，下部通過耦合電感及耦合電容得到負的輸出。

圖8：基于BUCK的負輸出SEPIC電路

注意圖中所示的耦合電感的極性，耦合電感的工作類似于反激電路的工作方式，得到負的輸出電壓。加入耦合電容C1，就變?yōu)镾EPIC電路，從而提高輸出的調(diào)節(jié)性，降低電感紋波。同樣，負輸出由于沒有反饋調(diào)節(jié)，通過改變耦合電感的匝數(shù)和加穩(wěn)壓管或線性穩(wěn)壓器的方法得到穩(wěn)定的負輸出。

4、充電泵結(jié)構(gòu)

通用的BUCK、BOOST電路的開關(guān)節(jié)點通常是浮動電壓，可以利用這個浮動的電壓組成充電泵電路，實現(xiàn)負壓的輸出。電泵電路通常要求輸出的負載電流比較小，而且其輸出電壓不做調(diào)節(jié)，可以使用穩(wěn)壓管提高其輸出電壓的精度。

圖9：基于BOOST的負輸出充電泵電路

5、Flyback反激變換器

通用反激變換器由于使用變壓器，通過光耦調(diào)節(jié)可以得到完全隔離的輸出，由于輸出繞組浮空，因此可以任意的接為正輸出或負輸出電壓。反激變換器增加一個繞組和一個二極管就可以增加一路的輸出，因此非常容易得到多路的輸出，而且成本低。其工作原理和結(jié)構(gòu)在本文中就不作詳細的介紹。