作者：Kevin Scott and Jesus Rosales

?uk轉(zhuǎn)換器（也稱為雙電感反相轉(zhuǎn)換器）、反相電荷泵和單電感反相轉(zhuǎn)換器（也稱為反相降壓-升壓）都從正輸入電壓提供負輸出電壓。然而，工程師經(jīng)常在不知不覺中用錯誤的名稱來引用這些拓撲，給已經(jīng)有點混亂的領(lǐng)域增加了混亂。每個拓撲有什么作用？為什么選擇一種拓撲而不是另一種拓撲？原因各不相同，有些比其他原因更明顯。以下討論重點介紹了反相電源架構(gòu)之間的差異，重點是直觀思維，而不是深入的電源設計和開關(guān)理論。目的是展示Cuk和反相電荷泵的優(yōu)勢和權(quán)衡，然后簡要討論反相拓撲，以便在選擇最適合您應用的負輸出電路拓撲時做出更明智的選擇。

丘克拓撲

?uk拓撲通?？梢詮耐瑫r提供升壓、SEPIC或反激式拓撲的器件獲得。高電壓、低靜態(tài)電流LT8331是可配置為?uk轉(zhuǎn)換器的器件示例。它具有 4.5V 至 100V 的寬輸入電壓范圍，并包括一個 140V、0.5A 電源開關(guān)。其 6μA 靜態(tài)電流、可編程欠壓鎖定、100kHz 至 500kHz 開關(guān)頻率和低輸出紋波使其成為高電壓、低待機電流、負輸出電壓需求的理想選擇。

圖1.LT8331 ?uk 配置

它需要兩個電感器（可以是耦合或非耦合的，并且通常在值上匹配）和一個耦合電容（C5）在輸入和輸出之間。耦合或隔斷電容器從電路的輸入側(cè)接收能量，并將其傳輸?shù)诫娐返妮敵鰝?cè)。在穩(wěn)態(tài)條件下（即上電后），該電容兩端的電壓是恒定的，大約等于V在.

反相電荷泵電路

?uk轉(zhuǎn)換器電路的一種變體是反相電荷泵電路，其中電感L2被肖特基二極管D3取代，如下所示。LT?3581 是一款具有一個 3.3A/42V 電源開關(guān)的多通開關(guān)穩(wěn)壓器。它具有內(nèi)置的故障保護功能，有助于防止輸出短路、輸入/輸出過壓和過熱情況。此外，它還包括一個獨特的主/從開關(guān)，可通過堆疊電荷泵電路輕松構(gòu)建高壓正電壓或負電壓。

圖2.反相電荷泵

?uk 與反相電荷泵

在圖3和圖4中，?uk轉(zhuǎn)換器和反相電荷泵轉(zhuǎn)換器拓撲并排顯示，以便進行比較。

圖3.丘克拓撲

圖4.反相電荷泵拓撲

請注意，這兩個電路看起來非常相似;除了Cuk的第二個電感已被肖特基二極管取代。另外，請注意，它們都有一個低側(cè) N 溝道 MOSFET（或 NPN 晶體管）電源開關(guān)。低邊開關(guān)還用于升壓、SEPIC和反激式拓撲，因此這些器件用途廣泛。開關(guān)節(jié)點始終施加正電壓。在 Cuk 設計中，反饋引腳可能會也可能不會看到負電壓（有些器件不允許在 IC 上的任何地方出現(xiàn)負電壓，有些器件具有接受正電壓和負電壓的雙模反饋引腳）。雖然外觀相似，但兩個電路的操作卻大不相同。

?uk轉(zhuǎn)換器的更多細節(jié)

當 V 的大小可以使用外大于或小于 V在.對于Cuk，簡化的占空比（假設無損耗二極管和開關(guān)）由下式給出：

占空比 （D） = V外/（V外– V在)

作為 V外變得更負，占空比接近 100%，并且作為 V外接近零，占空比接近 0%。|時占空比為50%V外|等于 V在.

圖 5a 顯示了電源開關(guān)關(guān)閉時的 ?uk 電流，圖 5b 顯示了電源開關(guān)打開時的 ?uk 電流。

圖 5a. 關(guān)閉電源開關(guān)時的 ?uk 電流

圖 5b. 電源開關(guān)打開時的 ?uk 電流

從輸入電源流出的電流是連續(xù)的（換句話說，當電源開關(guān)關(guān)閉或打開時，電流從輸入流出）。當開關(guān)閉合時，兩個電感器的電流都在增加（電流正在上升，但由于L2中的電流為負，因此兩個電流斜坡向相反方向移動）。當開關(guān)斷開時，兩個電感中的電流都會減小。在圖6中，我們看到平均輸入電流只是平均電感電流（（I拉夫格= Ipk + I林明)/2).

圖6.?uk轉(zhuǎn)換器輸入電流

注意由電感和輸入/輸出電容形成的電路輸入和輸出端的LC濾波器。連續(xù)電流與LC濾波器相結(jié)合，可實現(xiàn)更平滑的輸入和輸出電流，從而產(chǎn)生低輸出電壓紋波噪聲。

請記住，電感器的最佳紋波電流應約為輸出電流的40%。對于大多數(shù)DC/DC轉(zhuǎn)換器來說，這是一個很好的經(jīng)驗法則，代表了小電感尺寸和低開關(guān)損耗之間的權(quán)衡。

對于 ?uk，該電壓始終為正。不能簡單地將?uk轉(zhuǎn)換器配置為單個電感逆變器以減少電路元件。此外，必須注意確保 ?uk 電源開關(guān)可以處理電壓 V在+ |V外|出現(xiàn)在隔斷電容器的上游側(cè)。

反相電荷泵電路更詳細

反相電荷泵與升壓轉(zhuǎn)換器密切相關(guān)，因為它結(jié)合了基于電感的升壓穩(wěn)壓器和反相電荷泵。請注意，在圖5a ?uk電路中，圖最左側(cè)的電路和電流與升壓轉(zhuǎn)換器相同。在該電路中，我們添加二極管和電容器以獲得反相電荷泵轉(zhuǎn)換器。與?uk一樣，反相電荷泵具有連續(xù)輸入電流，但與?uk不同，它具有不連續(xù)的輸出電流。對于給定的輸出電流，這種配置通常提供尺寸、效率和輸出紋波的最佳組合。反相電荷泵拓撲結(jié)構(gòu)只能在V的幾何性時使用外大于 V在.對于 V 的大小外小于或等于 V在，使用不同的拓撲結(jié)構(gòu)，例如 ?uk、反相轉(zhuǎn)換器或反相反激式。

雖然它使用電荷泵，但由于電感器是主要的儲能元件而不是跨接電容器，因此可以獲得相當高的負載電流。下面的圖 7 示出了用作反相充電泵 （上電路） 和升壓型轉(zhuǎn)換器的 LT3581。

圖7.LT3581 負輸出型充電泵增強型升壓

LT3581 具有主 / 從開關(guān)，而不是單個電源開關(guān)，引腳 SW1 和 SW2 之間的肖特基二極管用于隔離開關(guān)，因此通過耦合電容器 C1 （在電源開關(guān)接通時產(chǎn)生）的電流尖峰僅流過從開關(guān)，而不流過主開關(guān) （電流比較器所在的位置）， 從而防止內(nèi)部電流比較器誤跳閘。當電源開關(guān)關(guān)閉時，開關(guān)節(jié)點處的電壓飛回V在+ |V外|當能量傳遞到輸出電容器和負載時。輸出斷接固有地內(nèi)置于這種單電感拓撲中。

對于反相電荷泵，簡化的占空比由下式給出：

占空比 （D） = 1 – （V在/|V外|)

自|年以來V外|始終大于 V在，當它們相等時，占空比接近 0%，并隨著 V 的增加而增加外變得更加消極。

在下面的反相充電泵配置中，在 LT3483 / LT3483A 的負輸出和 D 引腳之間增加了一個與肖特基二極管串聯(lián)的電阻器。該電阻器的目的是在開關(guān)導通時平滑/減小電容器C2中的電流尖峰。在此應用中，10Ω電阻工作良好（Li+電池至–22V@8mA），對轉(zhuǎn)換器效率的影響小于3%。應用電路中推薦的電阻值也限制了輸出短路條件下的開關(guān)電流。

圖8.LT3483 電路 具附加 Rs 電阻器

反相拓撲

反相拓撲使用單個電感，不需要耦合電容;因此，它需要的組件更少，如下所示。下面的圖 9 顯示了單電感反相拓撲的一個示例，該示例使用了具有外部電源開關(guān)的 LTC3863 反相控制器。LTC3863 具有一個 3.5V 至 60V 的輸入電壓范圍和一個 70μA 的低靜態(tài)電流，并且它允許低于 –150V 的輸出電壓。由于電源開關(guān)必須看到負電壓，因此反相拓撲的通用性較差，因為它只能用于負電壓。它還具有比具有類似輸出電流的 Cuk 轉(zhuǎn)換器更高的峰值電流和輸出紋波。對于 LTC3863，外部電源開關(guān)允許用戶為所需的峰值電流和輸出電壓選擇最佳 MOSFET。

圖9.LTC3863 反相轉(zhuǎn)換器

反相拓撲的占空比與Cuk轉(zhuǎn)換器的占空比相同，即

占空比 （D） = V外/（V外– V在)

類似地，在相同的輸出電壓、輸入電壓和開關(guān)頻率下，電路具有相同的占空比和相同的電感電流斜率（即紋波電流，等于V在*t上/L）。讓我們看一下每種拓撲在開關(guān)周期內(nèi)的電流。

圖10a和10b顯示了電源開關(guān)關(guān)閉和打開時的電流。

圖 10a. 反相電路電流 - 開關(guān)閉合

圖 10b. 反相電路電流 - 開關(guān)斷開

對于反相轉(zhuǎn)換器，電流僅在開關(guān)閉合時從輸入電源流出。這導致脈沖輸入電流而不是連續(xù)電流。

圖 11.反相轉(zhuǎn)換器輸入電流

與?uk不同，反相電路的平均輸入和峰值電流是占空比的函數(shù)。在50%占空比下，平均輸入電流大約是?uk的兩倍（假設沒有其他電路損耗）。由于我們正在處理功率傳輸，隨著輸出電壓變得更負或輸入電壓降低，峰值電感電流增加，從而增加輸出紋波噪聲;類似地，當輸入電壓增加或輸出電壓接近0V時，峰值電感電流也會減小。在這兩種情況下，電感電流可以是連續(xù)的，輸入電流也可以接近連續(xù)的，但它永遠不會是連續(xù)的。因此，對于給定的輸出電流，?uk轉(zhuǎn)換器具有比反相轉(zhuǎn)換器拓撲更低的峰值輸入電流（以及輸出電流，因為兩個電感電流相似）和更低的輸出電壓紋波噪聲是有道理的。

拓撲結(jié)構(gòu)之間的另一個區(qū)別是開關(guān)節(jié)點上的電壓。對于反相轉(zhuǎn)換器，該電壓在開關(guān)周期的第二階段為負。因此，拓撲不容易從一個拓撲轉(zhuǎn)換為另一個拓撲。

總結(jié)

?uk、反相電荷泵和反相拓撲提供負輸出，但每種配置都有細微差別，在設計負電源時可能會帶來好處。除這些電路外，輸出以地為基準的降壓轉(zhuǎn)換器和反激式轉(zhuǎn)換器也能夠提供負輸出電壓。遺憾的是，許多數(shù)據(jù)手冊和在線搜索參數(shù)表沒有區(qū)分獨特的拓撲結(jié)構(gòu)，而是將它們歸為“反相轉(zhuǎn)換器”。但是，有了有關(guān)差異的知識，您現(xiàn)在可以在為系統(tǒng)電源選擇IC時做出更明智的選擇。

審核編輯：郭婷