作者：Kevin Scott and Jesus Rosales

?uk轉換器（也稱為雙電感反相轉換器）、反相電荷泵和單電感反相轉換器（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理論。目的是展示Cuk和反相電荷泵的優(yōu)勢和權衡，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拓撲通常可以從同時提供升壓、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。其 6μA 靜態(tài)電流、可編程欠壓鎖定、100kHz 至 500kHz 開關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接收能量，并將其傳輸?shù)诫娐返妮敵鰝取Ｔ诜€(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 電源開關的多通開關穩(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，可通過堆疊電荷泵電路輕松構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轉換器和反相電荷泵轉換器拓撲并排顯示，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 N 溝道 MOSFET（或 NPN 晶體管）電源開關。低邊開關還用于升壓、SEPIC和反激式拓撲，因此這些器件用途廣泛。開關節(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）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 顯示了電源開關關閉時的 ?uk 電流，圖 5b 顯示了電源開關打開時的 ?uk 電流。

圖 5a. 關閉電源開關時的 ?uk 電流

圖 5b. 電源開關打開時的 ?uk 電流

從輸入電源流出的電流是連續(xù)的（換句話說，當電源開關關閉或打開時，電流從輸入流出）。當開關閉合時，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損耗之間的權衡。

對于 ?uk，該電壓始終為正。不能簡單地將?uk轉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 電源開關可以處理電壓 V在+ |V外|出現(xiàn)在隔斷電容器的上游側。

反相電荷泵電路更詳細

反相電荷泵與升壓轉換器密切相關，因為它結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，圖最左側的電路和電流與升壓轉換器相同。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。反相電荷泵拓撲結構只能在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，使用不同的拓撲結構，例如 ?uk、反相轉換器或反相反激式。

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，而不是單個電源開關，引腳 SW1 和 SW2 之間的肖特基二極管用于隔離開關，因此通過耦合電容器 C1 （在電源開關接通時產(chǎn)生）的電流尖峰僅流過從開關，而不流過主開關 （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。當電源開關關閉時，開關節(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 轉換器更高的峰值電流和輸出紋波。對于 LTC3863，外部電源開關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 反相轉換器

反相拓撲的占空比與Cuk轉換器的占空比相同，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周期內(nèi)的電流。

圖10a和10b顯示了電源開關關閉和打開時的電流。

圖 10a. 反相電路電流 - 開關閉合

圖 10b. 反相電路電流 - 開關斷開

對于反相轉換器，電流僅在開關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轉換器具有比反相轉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。

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

總結

?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換器和反激式轉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)分獨特的拓撲結構，而是將它們歸為“反相轉換器”。但是，有了有關差異的知識，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