【導(dǎo)讀】降壓拓?fù)渫ǔＳ糜趯⑤^大的總線或系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換為較小的電壓，使用降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)在于，與執(zhí)行相同轉(zhuǎn)換的線性調(diào)節(jié)器相比，效率非常高。為了從正輸入電壓產(chǎn)生負(fù)輸出電壓，設(shè)計(jì)者通常會(huì)選擇降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或可能的SEPIC轉(zhuǎn)換器，這兩者都提供了比線性調(diào)節(jié)器高得多的合理效率，但是使用降壓轉(zhuǎn)換器也可以達(dá)到相同的結(jié)果，只要稍微改變同步降壓轉(zhuǎn)換器的節(jié)點(diǎn)參考，就可以創(chuàng)建一個(gè)負(fù)升壓轉(zhuǎn)換器。
具備恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制方式的轉(zhuǎn)換器將高效調(diào)節(jié)與極小的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間和簡單的設(shè)計(jì)相結(jié)合，COT轉(zhuǎn)換器也可以配置在降壓-升壓拓?fù)渲校试S輸出負(fù)電壓，本節(jié)將演示如何使用降壓DC-DC輸出負(fù)電壓。
1.設(shè)計(jì)原理
降壓拓?fù)渫ǔＳ糜趯⑤^大的總線或系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換為較小的電壓，使用降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)在于，與執(zhí)行相同轉(zhuǎn)換的線性調(diào)節(jié)器相比，效率非常高。為了從正輸入電壓產(chǎn)生負(fù)輸出電壓，設(shè)計(jì)者通常會(huì)選擇降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或可能的SEPIC轉(zhuǎn)換器，這兩者都提供了比線性調(diào)節(jié)器高得多的合理效率，但是使用降壓轉(zhuǎn)換器也可以達(dá)到相同的結(jié)果，只要稍微改變同步降壓轉(zhuǎn)換器的節(jié)點(diǎn)參考，就可以創(chuàng)建一個(gè)負(fù)升壓轉(zhuǎn)換器，如圖13-1所示。
圖13-1：常用的同步Buck拓?fù)浜拓?fù)輸出Buck拓?fù)?/p>
這適用于需要產(chǎn)生互補(bǔ)輸出電壓的應(yīng)用，如音頻，或需要負(fù)電壓水平的工業(yè)應(yīng)用，如IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷。在LCD顯示器和嵌入式應(yīng)用中也觀察到了其他用途，其中一些特定應(yīng)用的IC需要負(fù)電源，該電路在負(fù)輸出開關(guān)調(diào)節(jié)器應(yīng)用中提供了正輸出降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)。
2.設(shè)計(jì)簡圖
設(shè)計(jì)簡圖是圍繞COT同步降壓轉(zhuǎn)換器來構(gòu)建的，假定該轉(zhuǎn)換器具有600Khz的固定頻率，COT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的使用允許用戶開發(fā)一種非常簡單的電源，而無需補(bǔ)償。從內(nèi)部低側(cè)MOSFET產(chǎn)生電流斜坡反饋，因此所需的外部組件是功率LC濾波器、輸入電容去耦和自舉電容器。
圖13-2：負(fù)輸出Buck拓?fù)?br/>
電路的控制將與標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器的控制相同，然而有一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別在于，電感器的節(jié)點(diǎn)連接從Vout到0V的變化會(huì)導(dǎo)致電路電流的變化，這反過來又允許產(chǎn)生負(fù)輸出電壓，IC的0V現(xiàn)在變成負(fù)輸出電壓。
圖13-3：從圖13-2中得到的節(jié)點(diǎn)波形的模擬
MOSFET驅(qū)動(dòng)波形如圖13-3所示，類似于標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器，還顯示了LX電壓。LX波形的范圍從-3.3V到+12V，當(dāng)?shù)蛡?cè)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，大部分幅度從-3.3V到0V，下一個(gè)軌跡表示輸出電壓-3.3V。
接下來可以看到電感器電流，其中心在0A附近，模擬中沒有負(fù)載，接下來出現(xiàn)的關(guān)鍵波形IM1和IM2表示電路中的電流，注意，這些波形參考0V。電流通過高側(cè)MOSFET從+V流到0V，但是電流從正流向負(fù)，因此電流在減少，如IM1軌跡所示。當(dāng)M1斷開而M2接通時(shí)，電流從-V流到0V，這可以從增加的電流中看出，而MOSFET M2由于0V的參考點(diǎn)而顯示出減小的電流。為了確定占空比，保持了與降壓轉(zhuǎn)換器的相似性，但是現(xiàn)在電感器兩端的電壓將是Vin+|Vout|。
其余的計(jì)算結(jié)果類似于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的降壓轉(zhuǎn)換器。
3.設(shè)計(jì)計(jì)算
該電路的總體設(shè)計(jì)規(guī)范如下：
Vin=12V，Vout=-3.3V，fsw=600kHz，Iout=3A，Vrapite=150mV，Vin_ripple=100mV。
器件感測通過低側(cè)MOSFET的電流，因此這個(gè)信號(hào)需要相當(dāng)大，以便從可能存在的任何系統(tǒng)噪聲中明顯探測到。這種方法是使用較大的紋波電流，設(shè)置為負(fù)載電流的40%，允許用戶縮小電感器的尺寸。值得注意的是，在這一點(diǎn)上，控制器的計(jì)算相對(duì)簡單，因?yàn)橄到y(tǒng)以COT拓?fù)溥\(yùn)行，同時(shí)也在內(nèi)部控制通過低側(cè)MOSFET的電流，幾乎沒有需要設(shè)計(jì)計(jì)算的外部部件。
表13-1：設(shè)計(jì)參數(shù)
計(jì)算結(jié)果如表13-1所示，其中一些值已被轉(zhuǎn)換為可用的值。
圖13-4：實(shí)際設(shè)計(jì)原理圖
示意圖13-4表示節(jié)點(diǎn)參考的變化，其中Vout變?yōu)?V，0V變?yōu)閂out，必須確保0V的輸入端有去耦，-Vout的輸入端也有一些去耦，使用齊納二極管將啟用引腳箝位到4.7V，這將在打開和關(guān)閉時(shí)保護(hù)部件。
4.典型波形
瞬時(shí)響應(yīng)
圖13-5：綠色=負(fù)載電流，紫色=輸出紋波電壓，+240mV，-80mV
瞬態(tài)響應(yīng)具有300mV的恢復(fù)尖峰，考慮到輸出端的保持電容為22uF，這是合理的，當(dāng)前步驟控制得很好。
電壓紋波
圖13-6：綠色= ILoad 2A/div，紫色=輸出紋波10mV/div
從圖13-6可以看出，電壓紋波得到了很好的控制，對(duì)于22uF的輸出電容，得益于高開關(guān)頻率，電壓波動(dòng)不超過80mV。
啟動(dòng)時(shí)電壓升高
圖13-7：綠色= ILoad 2A/div，紫色=Vout 2V/div
從圖13-7中可以看出，電壓上升時(shí)間是單調(diào)的，這表明器件控制效果比較好。
效率和功率損失
圖13-8：效率測量條件：Vin=12V/5V，Vout=-3.3V，fsw=600kHz、L=3.3uH
5.小結(jié)
本節(jié)提供了一種從正電源創(chuàng)建高性能負(fù)電壓輸出的理想方式，需要注意的是，由于輸出電壓為負(fù)電壓，所以器件兩端的壓差為Vin+|Vout|，需要確保在零部件的額定電壓之內(nèi)，包括電容。
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