BUCK变换器在负压输出系统中的应用

1、前言

在常见的电源中，经常使用的电压多为正电压，正电压也很容易理解，以大地为参考地，即为0V 电压，比0V电压高的电压都是正电压，如图1所示。由图1和图2 可以看出，这是一个很常见的降压电路，输入和输出都为正电压。

(a) 正输入正输出电路

(b) 工作波形

图1：正输入正输出电压的电路及波形

但是在笔记本电源和通信电源中，越来越多的开始用负电压来作为参考电压或偏置电压。如图2是市面售卖的ATX电源，共五路输出电压，其中四路正压输出，一路负压输出。负压输出-12V/0.5A，输出功率为6W。那么如果做到负压输出呢？通常需要把内部的正电压转为负电压再输出。比如图3的+12V电压，一路直接作为ATX电源的输出，另一路通过电路变换成-12V的负电压再输出。

图2：带负电压输出的ATX 电源

2、负电压实现的方法

基于客户需求，总结归纳出实现正电压输入负电压输出的方法有三种: 方法一是负压芯片的方法；方法二是使用Buck-Boost电路的方法；方法三是使用BUCK直接生成负压。

方法一: 负压芯片实现

在电子市场或电子网站上，可以很容易找到使用charge pump方式的负电压芯片，但是输入的电压最高只有5.5V左右, 带载能力只有几十毫安，比如TI TPS6040X series。此种负压芯片输出功率太小，不能满足电脑和服务器电源的应用需求。

方法二: Buck-Boost电路方法

如图3的 Buck-Boost方法实现生成负压的变换，当主开关Q 开通时，由于D反向，Vin 流过Q的电流只可以给电感L充电，如图4(a)中 A 的描述路径；当Q截止时，根据楞次定律，电流的方向变为图4中 B的描述路径，由图4(a)可以看出，Vo输出为负电压。

使用Buck-Boost负电压输出的方法如图4(b)所示。从图中明显可以看出，此种方法需要额外增加一个运算放大器A2，因为芯片的参考地还是最终和输入的参考地连接在一起的，由于输出是负电压，需要对反馈信号做反向，然后送到FB，这种方法会增加额外成本，所以用Buck-Boost电路来实现负压也不是太理想。

(a) Buck-Boost负电压电路工作原理

(b) 额外增加运算放大器

图3：Buck-Boost负电压电路

方法三：用Buck芯片产生出负压

用AOS通用的一款Non-synchronous Buck AOZ1284PI实现正输入负输出的电压变换，此芯片为高压BUCK芯片，最高输入电压达到36V，带载能力达到4A。完全可以满足ATX电源系统的功率要求。

(a) 用BUCK芯片实现负电压的原理图

(b) BUCK芯片实现负压输出的工作原理

图4： BUCK芯片实现负压输出

由图4可以看出，此种方法没有增加额外零件就可以实现正电压输入负电压输出，连接方式可以简化为如图4(b) 所示。

图4原理图的公式推导如下，假设二极管开关的正向导通压降为Vd，MOS开关管为Vsw。主开关开通和关断期间，电感上的电压可列出如下式子：

Von=Vin-Vsw

Voff=Vo+Vd

根据伏秒法：Von*ton=Voff*toff，则可以得出：

toff/ton=-(Vin-Vsw)/(Vo+Vd)

可以得到占空比方程为：

D=ton/(ton+toff)=ton/T

=(Vo+Vd)/(Vo+Vd-Vin+Vsw)

若MOS开关管和二极管的压降远小于输入输出电压，上面占空比的公式可以简化为：

D=Vo/(Vo-Vin)

所以，输入和输出的电压关系可以表示为：

Vo=-Vin*D/(1-D)

从上面的公式中可以看出，输出电压的绝对值可以大于或者小于输入电压；由于在Q导通期间，输入没有向输出提供能量，此时主要为输出大电容提供能量维持给负载，只有在Q关断时，由电感提供能量给负载且给输出电容充电，所以，此种负输出线路的输出纹波比普通的正输出降压线路纹波要大。

此应用中，电感的选择也非常的重要，下面介绍此应用中的电感公式推理。假定应用的开关频率是f，开关周期为T，导通时间为：

ton=D*T

假定r为纹波因数，r=0.4，r为电感电流的纹波（最大值和最小值之差）和电感电流的平均值IDC的比值，电感的感量为：

L=Vin*ton/IDC*r

其中电感的平均电流IDC为：

IDC=Io/(1-D)

另外从图4可以看出，二极管续流期间，主开关管承受的压降是：

VQ=Vin+Vd-(-Vo)=Vin+Vd+Vo

由此可以看出，用BUCK芯片实现负压输出的电路最高输入电压不能达到芯片的标称值，而是由输出电压来决定的。以AOZ1284PI为例，忽略二极管压降，假设输出为-12V，最高输入电压只能为24V，不再是芯片标称的36V。

由以上的公式推理可以看出，虽然使用的是BUCK芯片，但是因为连接方式的不同，本质上已经变换成Buck-Boost电路。所以不能用设计BUCK电路的思路来设计此负电压输出电路。

3、应用举例

用AOZ1284PI Non-synchronous BUCK降压芯片实现正输入负输出，以+12Vin 输入，-12Vout输出，带载2A应用需求为例。

先用SMPLIS仿真软件(参考线路如图8)来模拟是否可以用Non-synchronous BUCK在不需要额外增加零件的情况下得到正输入负输出的电压，把电感的输出连接到输入的地上，原来芯片的参考地（正输出的地）作为输出，即为负输出，调整芯片外围参数如参考线路。

(a) AOZ1284PI实现负压的电路图

(b) 仿真波形

图5：BUCK芯片实现负电压输出的电路及仿真波形

从图5的仿真结果可以看出，用BUCK芯片搭建的电路是可以实现想要的正电压输入负电压输出的。

制定评估板，如图6所示，测试验证，测试验证波形如图7所示。

图6：基于AOZ1284PI负压输出电路PCB

由图7(a) 可以看出，此验证线路带载2A 开机正常。由图7(b) 可以看出，此验证线路带载2A关机正常。图7(c) 为用AOZ1284PI搭建负压电路的实际测试的工作波形。因此，可以得出，使用Non-synchronous BUCK是可以实现正电压输入负电压输出和较好的带载能力的，且只使用BUCK原有的零件，没有增加额外成本。

(a) 开机波形

(b) 关机波形

(c) 稳态工作波形

图7：基于AOZ1284PI负压输出电路的测试波形

来进一步分析实际测试波形。由图7的波形可以发现，电感电流的平均值IDC比实际的Io大很多，这是与正输入正输出的BUCK降压不同的地方。

D=Vo/(Vo-Vin)=-12/（-12-12）=50%

IDC=Io/(1-D)=2.16/(1-0.5)=4.32A

由计算结果和实际量测的波形数据比对来看，结果相一致。所以在实际应用中，需要注意电感电流的IPK值是否已经超过选用芯片的过流保护点及电感的额定电流值，因为实际带载的电流Io比电感电流的IDC小很多，比电感的IPK小更多，所以，选择一个合适的电感也是这个正输入负输出应用成功的关键之一。

通过上述电感量和额定电流公式计算得出此12V输入转-12输出，带载2A的应用为例的电感量可选择39uH，额定电流最少5.2A(或与之相近的电感)。

4、结论

由于现有负压芯片的输出功率都比较低，不能够满足大功率的需求，在不增加额外成本的前提下，使用Non-synchronous BUCK转换出负电压的应用具有较好的带载能力，且比普通负压芯片更加灵活，应用范围更加广泛。

参考文献

[1] 刘松. 汽车电子系统中负压变换器的设计. 电子设计应用,2009,04

[2] Zach Zhang. How to generate negative output. Alpha and Omega Semiconductor, Inc. Application Note PIC-002