引言

大多数实际的电子设备都要求有一个输入电压源。其可以是针对手持或便携式设备的电池、针对家庭消费类电子产品的 115-V AC 线压源或壁式电源，也可以是针对工业或电信应用的一个稳压 DC 电压总线。一般而言，输入电压源必须被转换为一个或多个低电压源，以为诸如处理器、存储器、FPGA 或其他逻辑电路等单独的电路供电。降压转换器通常用来从较高的电压源获得所需的输入电压。在某些应用中，可能需要从正输入电压源生成一个负电压，此类应用包括音频放大器、线路驱动器及接收机或仪表放大器。在此类情况下，将降压转换器配置成一个反相降压－升压拓扑结构（该拓扑结构的输出电压相对接地而言为负）是有可能实现的。

基本降压拓扑结构

为了了解反相降压－升压电路的工作原理，首先要考虑降压转换器的基本拓扑结构，如图 1 所示。蓝色虚线框中的组件通常会被集成到转换器的集成电路中，而该虚线框外面的一些组件则是所需的外部组件。

图 1 降压拓扑结构

当 FET 开关处于开启状态时，电感的电压为 V_IN – V_OUT，同时通经电感的电流以如下速率上升：

当开关处于关闭状态时，电感电压将会发生逆变，以维持电感电流的连续性。假设二极管的压降较小，那么电感电流将以 di/dt = V_OUT/L 的速率斜坡下降。在 FET 开关处于开启和关闭的两种状态下，恒定负载电流一直由电感承载。平均电感电流等于负载电流，且峰至峰电感纹波电流为：

.

其中，V_IN 为输入电压；V_OUT 为输出电压；D 为占空比 V_OUT/V_IN；f_SW 为开关频率；L 为输出电感。

反相降压—升压拓扑结构

将前面所述的工作原理和图 2 所示的反相降压－升压拓扑结构进行对比。相对于图 1 中的降压转换器而言，电感和环流二极管的位置实现了对调；同时，由于输出电压为负，因此输出电容器的极性被巅倒。在运行期间，当 FET 开关处于开启状态时，电感电压为V_IN，且电流以 di/dt = V_IN/L 的速率斜坡上升。FET 开关处于开启状态的同时，总负载电流由存储于输出电容中的能量提供。当 FET 开关处于关闭状态时，电感极性将发生巅倒，以维持电感电流的连续性。电感电压大约为 V_OUT，同时电感电流以 di/dt = –V_OUT/L 的速率斜坡下降。在关闭期间，电感为负载提供电流，并对开启期间电容损失的能量进行补充。因此，就降压－升压电路而言，平均电感电流为：

且峰至峰电感电流为：

占空比 D 大约为：

图 2 反相降压—升压拓扑结构

当降压转换器被用作降压－升压转换器时，电路运行中的这些基本差异就显得非常重要了。

设计考虑因素

当在一个反相降压－升压拓扑结构中使用非同步降压转换器时，我们必须要考虑到一些问题。设计方程式需以简化的形式给出，使用理想的半导体，并忽略其他组件的损耗。为了实施图 2 中所示的降压－升压拓扑结构，要将降压转换器接地引脚连接至 V_OUT，同时要将输出电容的正导线连接至接地。则连接至 GND器件的 V_IN 引脚电压为 V_IN – (–V_OUT)，而并非如降压转换器中的 V_IN 那样。这种组合电压必须低于所选器件规定的 V_IN。

工作占空比为：

且平均电感电流为：

这些值还不同于降压转换器的值，其占空比 (D = V_OUT/V_IN) 和平均电感电流都等于输出电流。

由于平均输出电流不能超出器件的额定输出，所以有效负载电流减少至原来的 1 – D。因此，就本设计而言，最大有效 DC 负载电流为 I_SW × (1 – D) = I_Load，其中，I_SW 为高侧开关 FET 的平均额定电流。

另外，由于某些原因，我们应保持较小的电感 AC 纹波电流。峰值电感电流（平均电感电流加上峰至峰 AC 电流的一半）必须低于内部电路电流限定值。在 DC 输出电流以下时电路将开始在非连续传导模式中运行，而电感 AC 纹波电流还决定了该 DC 输出电流的大小。当 DC 输出电流等于峰至峰 AC 电流的一半时，就会出现这种运行模式。一般而言，这一限制会比电流限制更为严格。纹波电流还会极大地影响输出电压纹波。低电感纹波电流可提供更为稳定的输出电压。

对反相降压－升压转换器而言，非连续模式和连续模式运行之间存在着极大的差异。当高负载电流使在非连续模式中运行稳定的设计运行于连续模式时（在该模式运行期间反馈回路包含了一个右半平面零点¹），这些设计可能会变得不稳定。

V_IN 至接地以及 V_IN 至 V_OUT 的旁路电容应该被用于输入端。V_IN 至 V_OUT 的旁路和器件电压输入端交叉在一起。

典型波形

为了说明这两种拓扑结构之间存在的一些性能差异，我们为每一类型结构均构建了一个测试电路。这两个电路均使用一个 24－V 输入电压。降压转换器在电流为 2A 时的输出电压为 5-V，而反相降压－升压转换器在电流同样也是 2A 时的输出电压为 –5-V。反相降压－升压和降压转换器的输出电压纹波和开关节点波形如图 3 和图 4 所示。需要注意的是，该反相降压－升压转换器 V_IN 至 V_OUT 以及降压转换器 V_IN 至接地的开关节点电压均不同，在每幅图左侧位置用 C2 标明接地参考线压。还需要注意的是，输出电压纹波并未表明典型降压转换器的线性斜坡特征。在降压转换器中，AC 部分电流通过输出滤波器电容被分路至接地的同时，向负载提供平均电感电流。纹波电压的主要组成部分是 AC 纹波电流乘以输出电容的等效串联电阻，从而形成一种类似于在 FET 开关开启期间上升而在关闭期间下降斜坡的波形。就反相降压－升压转换器而言，输出电容在开关开启期间提供负载电流，同时在开关关闭期间被重新充电。该充－放电周期与 AC 纹波电流相叠加以生成如图所示的更为复杂的纹波电流。请谨记，输出电压为负，因此波形的正向部分代表变为更小负值的输出，或者周期的放电部分。

图 5 和图 6 分别显示了反相降压－升压转换器和降压转换器的高侧开关电流情况，每一个转换器都具有相同的 2A 负载电流。正脉冲代表了传导期间流经开关至电感的电流。当开关处于关闭状态时，图 5 中反相降压－升压转换器的电感电流必须保持连续，并流环流二极管，而非高侧开关元件。就图 6 中的降压转换器而言，由于电感被直接连接至输出，因此传导期间的平均电流等于输出电流。在这种拓扑结构中，在开关开启和关闭期间， 输出电流都由电感提供。就反相降压－升压转换器而言，情况并不是这样的；所以，开关开启期间的平均开关电流为 I_OUT/(1 – D)。

图 3 反相降压—升压输出电压纹波 图 5 反相降压—升压开关电流

以及开关节点电压

图 4 降压输出电压纹波以及开关节点电压 图 6 降压开关电流

输入电压限制

除了转换器的 V_IN – (–V_OUT) 输入电压限制以外，在低端设备市场，可能还有一些除最小占空比或开启时间规范要求以外的输入电压限制。许多 DC/DC 转换器电路都包括了一个欠压锁定 (UVLO) 电路。在降压结构中，最小输入电压将受 UVLO 电平的限制。这种限制在反相降压－升压转换器中也同样存在；然而，UVLO 阈值和器件接地相关，其被配置为 V_OUT。在启动时，输出为 0 V；因此，无论 V_IN 和 V_OUT 之间的差值如何，保证正确启动的最小输入电压均等于 UVLO 电平。

结论

如果将电路配置为一个反相降压－升压转换器，我们就可以利用降压转换器从正输入电压生成负输出电压。虽然电路设计简单明了，但是应谨记这些重要事项。输出电流要低于平均电感电流 1 – D 倍，因此有效输出电流将会低于器件额定电流。输出电压为负，并且存在于器件接地引脚上，因此器件输入端的有效电压为 V_IN – V_OUT，该差值一定不要超过器件的输入电压额定值。最后，器件的接地不应连至系统接地。