负输出 DC/DC 转换器的挑战

电子设备主要使用正电压轨供电;偶尔也会使用一些负电压轨。因此，负(或反相)输出 DC-DC 转换器解决方案不如正输出 DC-DC 转换器解决方案常见。然而，当为工厂自动化、楼宇自动化和通信系统中的高性能设备(例如高速 DAC、运算放大器、RF 功率放大器、AFE、GaN FET 栅极驱动器和 IGBT 栅极驱动器)供电时，需要负电压轨。

设计人员在寻找负电压解决方案时面临着巨大挑战，因为大多数传统设备都需要外部电平转换器电路与之通信。它们也过时、效率低下、复杂且笨重。本文详细讨论了传统解决方案的缺点，然后研究了一种新型的高度集成设备，以解决该缺陷，并提供紧凑、易于使用和高效的负输出 DC-DC 解决方案。

负输出 DC-DC 转换器的挑战

典型的电源系统具有作为接地参考或 GND 的最低电压电位。对于正输出 DC-DC 输出转换器，接地参考只是 GND(0-V 电位)。它的输入/输出信号自然地以该地为参考。系统控制器使用 I/O 引脚简单直接地与 DC-DC 转换器通信。

有这样一个系统，其中系统微控制器 (MCU) 驱动转换器的 EN(启用)引脚以将其打开和关闭。控制器还通过其 PGOOD(即 RESET)引脚读取转换器的状态，以了解转换器功率输出是否在其调节范围内并准备好为整个系统供电。为简单起见，此处仅显示了一个 DC-DC 转换器，但该原理也适用于具有多个正电压轨的系统。

当使用负 DC-DC 时，与系统控制器的通信并非易事。转换器的 I/O 引脚以其最低电压电位为参考，在这种情况下，它是负输出电压，而不是系统接地 (GND)。使用负电压轨时，设计人员需要为系统 MCU 实现电平转换器电路，以与 DC-DC 转换器通信。

同样，为简单起见，此处仅显示了一个负输出 DC-DC 转换器，但该原理适用于具有多个负电压轨或正负电压轨混合的系统。每个负输出 DC-DC 转换器的每个 I/O 引脚都需要一个电平转换器。

电平转换器电路很大，给设计人员带来了挑战。此外，传统的负 DC-DC 转换器解决方案复杂且效率低下，是另一个挑战。

挑战 1：电平转换器

一个典型的电平转换器电路，其目的是改变信号的接地参考以匹配系统 MCU 的接地参考。此处用于转换来自系统 MCU 的 ON 命令以打开/关闭 DC-DC 转换器。该电平转换器由 9 个组件组成。它的操作很简单：当系统控制器将 ON 驱动为高电平时，Q1 导通，进而将 Q2 偏置为导通并将 EN 驱动为高电平以启用 DC-DC 转换器。当 ON 被驱动为低电平时，Q1 和 Q2 都关闭，并且 EN 被驱动为低电平以禁用转换器。

一种常见的电平转换器电路变体，它在这里用于转换来自 DC-DC 转换器的 PGOOD 信号，以便系统微转换器可以读取它。当 PGOOD 被 DC-DC 转换器驱动为高电平(漏极开路)时，Q3 导通，进而偏置 Q4 并将 RESET 驱动为高电平，从而使系统 MCU 退出复位状态。

这两个电平转换器需要 18 个外部元件，对试图将解决方案适应不断缩小的设备和电路板空间的设计人员提出了挑战。

挑战 2：效率低下

传统的负输出 DC-DC 解决方案效率低下。由于效率低下而产生的额外热量给设计师带来了另一个挑战，他们现在有额外的负担从系统中去除热量。

这种拓扑结构面临两个低效问题。首先，它采用非同步开关，与同步解决方案相比，输出整流二极管 D1 消耗更多功率。其次，它有一个额外的功率电感器 L1 和一个额外的电容器 C1，它们也会消耗更多的功率。显示了该转换器的效率曲线，在 12V 输入和 -15V 输出时测量。其峰值效率仅为 83%，而在 150 mA 输出电流下功耗约为 460 mW。