【導(dǎo)讀】用于正電壓的高效降壓開關(guān)穩(wěn)壓器非常常見。然而，盡管經(jīng)常需要負(fù)降壓開關(guān)穩(wěn)壓器（負(fù)電壓輸入、負(fù)電壓輸出、共地），但它們并不為人們所熟知。盡管它們的設(shè)置并不困難，但有關(guān)如何構(gòu)建它們的文獻(xiàn)卻相當(dāng)稀少。
用于正電壓的高效降壓開關(guān)穩(wěn)壓器非常常見。然而，盡管經(jīng)常需要負(fù)降壓開關(guān)穩(wěn)壓器（負(fù)電壓輸入、負(fù)電壓輸出、共地），但它們并不為人們所熟知。盡管它們的設(shè)置并不困難，但有關(guān)如何構(gòu)建它們的文獻(xiàn)卻相當(dāng)稀少。
本文分析了負(fù)降壓拓?fù)涞募軜?gòu)和詳細(xì)操作。它還將從系統(tǒng)角度討論拓?fù)涞膶?shí)際電路實(shí)現(xiàn)，直至所需電路塊的構(gòu)建，并包括如何構(gòu)建電壓轉(zhuǎn)換器電路的示例，這是使用現(xiàn)成的升壓 IC 實(shí)現(xiàn)負(fù)降壓穩(wěn)壓器的關(guān)鍵塊。
圖 1：所示為負(fù)降壓拓?fù)涞幕炯軜?gòu)。
負(fù)降壓拓?fù)?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
上面的圖 1 顯示了負(fù)降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器的基本架構(gòu)。與正降壓設(shè)計(jì)一樣，它在輸入和輸出之間有一個(gè)高端通器件、一個(gè) LC 輸出濾波器和一個(gè)續(xù)流二極管。兩個(gè)的區(qū)別是控制 IC 和反饋電路所需的柵極驅(qū)動(dòng)。
在正降壓中，用作高端傳輸器件的典型負(fù)溝道 FET (NFET)需要比系統(tǒng)輸入電壓 (Vin) 更高（更正）的柵極驅(qū)動(dòng)電壓才能導(dǎo)通。由于輸入電壓已經(jīng)是系統(tǒng)中正的電壓，因此需要特殊電路來(lái)產(chǎn)生更高的電壓。
正降壓 IC 通常內(nèi)置此功能。在負(fù)降壓中，用作高端傳輸器件的 NFET 還需要比系統(tǒng)輸入 (-Vin) 更正的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。在這種情況下，由于該輸入電壓是系統(tǒng)中負(fù)的電壓，因此不需要特殊電路。
所有其他電壓，包括輸出，都“更高”（更正），轉(zhuǎn)換器接地是系統(tǒng)中正的電壓。在這些情況下，可以使用低側(cè) FET脈寬調(diào)制器 控制 IC（例如升壓/反激式調(diào)節(jié)器或控制器）來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器。
多種 IC 可用于實(shí)現(xiàn)負(fù)降壓轉(zhuǎn)換器，包括控制器和具有低側(cè) NFET 的集成單片穩(wěn)壓器。單片 IC 簡(jiǎn)單、易于實(shí)施且組件數(shù)量更少。當(dāng)需要更大的輸出電流以及需要優(yōu)化效率和散熱時(shí)，控制器提供更大的靈活性。
圖 2：該負(fù)降壓拓?fù)涫褂脝纹?LM5001 升壓/反激式穩(wěn)壓器。
上面的圖 2顯示了采用負(fù)降壓拓?fù)淝覂?nèi)置 75V、1A NFET 的 3.1-75V 輸入電壓范圍升壓/反激式穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)化圖。
在常規(guī)升壓應(yīng)用中，它會(huì)向其內(nèi)置導(dǎo)通 N 溝道 MOSFET 提供比地電位高幾伏的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，以便將其打開。在負(fù)降壓應(yīng)用中，柵極驅(qū)動(dòng)器仍會(huì)輸出比 IC 接地引腳高幾伏的柵極電壓，在這種情況下，該電壓與系統(tǒng)的輸入電壓 (-Vin) 相關(guān)，并將產(chǎn)生所需的結(jié)果。
與常規(guī)升壓不同，但與常規(guī)降壓相同，圖 2中的峰值 IC 開關(guān)電流與峰值電感器/輸出電流相同，因此允許 1A 升壓 IC 用于高達(dá) 1A 的輸出電流。其他具有不同額定值的穩(wěn)壓器將用于更高或更低的開關(guān)電流。如果控制器，則它將用于與圖中類似的配置。
電壓轉(zhuǎn)換器
使用現(xiàn)成升壓 IC 的負(fù)降壓架構(gòu)中的另一個(gè)特殊考慮因素是反饋路徑所需的信號(hào)調(diào)節(jié)。大多數(shù) IC 的反饋 (FB) 引腳需要 1.25V 左右的電壓（相對(duì)于接地）以維持調(diào)節(jié)。該電壓通常從輸出 (Vout) 獲得，并通過(guò)分壓電阻網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單地按比例縮小。
這種技術(shù)可以輕松地允許施加的電壓隨輸出下降而上升和下降，這是維持適當(dāng)調(diào)節(jié)所必需的。當(dāng)在正降壓中采用這種方法時(shí)，F(xiàn)B電壓和輸出電壓自然參考系統(tǒng)接地和 IC 接地引腳，因此不需要調(diào)節(jié)或轉(zhuǎn)換。
在使用低側(cè) FET 升壓 IC 實(shí)現(xiàn)的負(fù)降壓應(yīng)用中，輸出 (-Vout) 及其任何分壓樣本仍然以系統(tǒng)接地為參考。然而，由于 IC 接地引腳連接到 -Vin 而不是系統(tǒng)接地，因此 IC 將無(wú)法正確讀取 FB 電壓（也不會(huì)正確保持調(diào)節(jié)），因此需要轉(zhuǎn)換該電壓，使其以 IC 接地引腳為參考。
這種電壓轉(zhuǎn)換由圖 1 和圖 2 中標(biāo)有“電平轉(zhuǎn)換”的小方框表示。有多種方法可以在硬件中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
圖 3：可以使用由兩個(gè) pnp 晶體管構(gòu)建的電流鏡在硬件中實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。
上面的圖 3 顯示了一種簡(jiǎn)單、常見且可能更便宜的方法。它使用由幾個(gè)廉價(jià)的 pnp 晶體管構(gòu)建的電流鏡。為了獲得性能和更嚴(yán)格的調(diào)節(jié)精度，建議使用配對(duì)。
匹配的配對(duì)可以在單個(gè)包裝中找到；DMMT3906就是一個(gè)很好的例子。在圖 3 中，Rf1 和 Rf2 縮小了鏡像電壓，因此用于設(shè)置穩(wěn)壓器的輸出電壓（就像任何可調(diào)穩(wěn)壓器的情況一樣）。換句話說(shuō)，反饋增益為|Vref /Vout| 和|Vout| 是 Vref x Rf1 / Rf2，其中 Vref 是 IC 反饋引腳（參考）電壓。電流鏡電路的一種變體如下圖 4 所示。
圖 4：電流鏡電路的這種變體使用單個(gè) pnp 晶體管和分立二極管電流鏡。
在此電路中，使用單個(gè) pnp 晶體管。D1 通過(guò)消除 Q1 的 pnp 發(fā)射極-基極電壓溫度漂移的影響來(lái)提供輸出電壓溫度補(bǔ)償。D2 和 D3 為 D1 所需的偏置電流提供一些預(yù)調(diào)節(jié)，從而將線路調(diào)節(jié)和紋波抑制提高兩倍。
通過(guò)用LM385-1.2或LM4040-2.5等電壓基準(zhǔn)替換兩個(gè)串聯(lián)二極管，可以進(jìn)一步提高性能。
為了簡(jiǎn)化電路，或者如果輸入電壓相對(duì)恒定且紋波很小，可以取消D2和D3并組合偏置電阻。此外，消除 D1 將提供輸出電壓的負(fù)溫度系數(shù)。
運(yùn)算放大器選項(xiàng)
與使用分立元件進(jìn)行設(shè)計(jì)相比，更喜歡運(yùn)算放大器的優(yōu)點(diǎn)和簡(jiǎn)單性的設(shè)計(jì)人員可以使用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換電路。
喜歡使用分立元件過(guò)度設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器的優(yōu)勢(shì)和簡(jiǎn)單性的設(shè)計(jì)人員可以使用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換電路。
通過(guò)以與感測(cè)和放大差分電壓時(shí)使用的配置非常相似的配置連接運(yùn)算放大器，可以將其用于負(fù)降壓配置中，以共同按比例縮小輸出電壓。這使得它適合 FB 引腳（從而設(shè)置穩(wěn)壓器的輸出電壓），同時(shí)將該電壓的參考從系統(tǒng)接地轉(zhuǎn)移到 -Vin 軌。
使用的具體運(yùn)算放大器取決于應(yīng)用要求，但通用運(yùn)算放大器通常就足夠了。低失調(diào)電壓對(duì)于穩(wěn)壓器的電壓精度非常重要，并且運(yùn)算放大器需要具有大于應(yīng)用的 Vout 幅度的共模電壓范圍。
結(jié)論
多種升壓/反激式穩(wěn)壓器可用于實(shí)現(xiàn)負(fù)降壓轉(zhuǎn)換器。由于具有寬輸入電壓范圍的穩(wěn)壓器和控制器在廣泛的應(yīng)用中具有靈活性，因此它們被用作示例。
盡管升壓 IC 是實(shí)現(xiàn)負(fù)降壓轉(zhuǎn)換器的容易獲得的現(xiàn)成解決方案，但重要的是要重申，我們實(shí)際上不是升壓負(fù)電壓，而是降壓它，因此選擇外部的所有設(shè)計(jì)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)組件（電感器、MOSFET、補(bǔ)償?shù)龋┬枰糜诮祲涸O(shè)計(jì)，而不是升壓設(shè)計(jì)。
開關(guān)電流是轉(zhuǎn)換器的輸出電流，就像降壓轉(zhuǎn)換器一樣。電感器值也應(yīng)該使用紋波電流來(lái)選擇，就像降壓轉(zhuǎn)換器一樣。與常規(guī)正降壓轉(zhuǎn)換器一樣，該拓?fù)湟矝](méi)有右半平面零。
如果使用電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖 3 或圖 4 中的電路，很明顯補(bǔ)償可以變得非常靈活，因?yàn)樘砑訕O點(diǎn)或零就像添加與 Rf1（零）或 Rf2（極）。
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