正至负电压转换器应用

引言
    高效型高电压降压控制器和模块的发展使得能够采用降压开关稳压器拓扑结构来设计高性能的正至负电压 DC/DC 转换器 ━━ 无需变压器 (见图 1)。事实上，正至负电压转换器越来越多地使用降压型拓扑结构，变压器的标准化是一个重要的推动因素。

图 1：正至负电压转换器拓扑结构示意图

相比基于变压器的传统拓扑结构，降压型拓扑结构具有诸多的优势，其中最重要的就是转换器的简单性和低元件数目。图 2 示出了功率链路的固有简单性，它包括一个顶端 MOSFET Q1、单个电感器 L1、二极管或底端 MOSFET Q2 及输出滤波器。输出电压由降压 IC 控制器 U1 调节。倘若采用集成型解决方案，那么功率链路的组件数目可进一步减少至 2 个或甚至 1 个，如图 3 和图 4 所示。

 
图 2：采用分立组件的正至负电压转换器，V_IN = 5V 至 14V，V_OUT = 5V/4A

图 3：采用一个具集成型 MOSFET 的稳压器 IC 的正至负电压转换器，
V_IN = 5V 至 14V，V_OUT = 3.3V/5A
 
图 4：采用全集成型µModule DC/DC 转换器的正至负电压转换器，
V_IN = 5V 至 14V，V_OUT = 5.0V/7A

基本操作、转移函数和组件应力
    本文给出了掌握正至负电压转换器功能性的应用知识所需的基本拓扑示意图和公式。有关其工作原理 (包括降压-升压) 的更全面研究请见参考文献 * 。

对于连续导通模式操作，占空比、平均电感器电流可从下式获得：

D = |Vo| / ( Vin + |Vo| )        I_L = Io / (1 - D)

虽然正至负电压转换器看似降压型转换器，而且其工作原理基本上类似于降压型转换器，但它并不是降压型转换器。主要的区别是：在正至负电压转换器中，电感器不像在降压型转换器中那样连续地向负载输送能量和电流。在导通期间，Q1 接通，Q2 关断，Q2 的体二极管被施加反向偏置且电感器与负载断接，而由输出滤波器给负载供电 (见图 1a)。如图 1b 所示，当 Q1 关断和 Q2 接通时，能量和电流从电感器 L 输送至输出滤波器。

在相同的输出电流下，负输出拓扑结构的平均及峰值电感器电流大于降压型拓扑。例如，在图 2 所示的电路中：输出电流为 4A，但在 9V 输入电压条件下，平均电感器电流为 6.22A，而峰值电感器电流为 7.32A。这一事实对于组件选择、效率和输出纹波具有重要的意义，不过，凭借正确的组件选择可以实现 94%~95% 甚至更高的效率。

V_MAX = V_IN + |V_OUT| 是晶体管 Q1 和 Q2 两端的最大电压。根据下面的表达式，可以得出流过晶体管 Q1、Q2 和电感器 L 以及二极管 D 的最大电流 I_MAX。

dI = V_IN(MIN) • T • D_MAX / L

I_PEAK = I_L + dI/2

I_MAX = I_OUT / (1 - D_MAX) + dI/2

式中的 D_MAX 为控制器的最大占空比。流过 Q1 的平均电流等于 I_L•D，而流过 Q2 的平均电流等于 I_OUT。对于这种拓扑结构，开关引脚和检测引脚上的最大电压限定了控制器的选择。

三款正至负电压转换器
    图 2、图 3 和图 4 示出了采用这种拓扑结构的实际正至负电压转换器。图 2 给出的是一种分立式配置，包括了两个晶体管、一个电感器、一个 LTC3834-1 控制器和输入 / 输出滤波器。LTC3834-1 的接线简单明确，用户可以选择 3 种固定频率：250kHz、530kHz 或 400kHz (通过 PLLLPF 引脚) 和 3 种操作模式：突发模式 (Burst Mode®) 操作、脉冲跳跃和强制连续模式 (通过 PLLIN/MODE 引脚)。该电路的效率高达 93% 左右。

图 3 所示为一种更加紧凑的设计，其中开关 MOSFET 被集成到了 LTC3608 单片式同步降压型 DC/DC 转换器之中。另外，LTC3608 还利用内部电流检测节省了空间。该器件采用谷值电流模式控制并检测内部底端 MOSFET两端的电流。工作频率由负责控制顶端 MOSFET 开关导通时间的单稳定时器确定。频率由电阻器 R_FRQ 设置，并被设定为 300kHz。效率几乎达到了 94%。

图 4 中的电路通过采用一个 LTM4601 µModule® 稳压器进一步简化和精简了整个应用电路的设计。整个应用电路的占用空间仅为 15mm x 15mm x 2.8mm，而且是即用型的，无需进行组件选择或故障检修。这是通过将开关 MOSFET 和电感器集成在封装中实现的。LTM4601 的最小输入电压为 4.5V，最大输出为 20V 和 12A。

上述的三款电路均可在 5V 至 14V 的输入电压范围内运作，但表述的输出电流适用于 9V 至 14V 的电压范围。当电压低于 9V 时，输出电流应降额。输出电压可以通过改变电阻器 R_FB 在 -1.2V 至 -5V 之间进行调整。效率曲线如图 5 所示。

 
图 5：本文介绍的三款应用电路的效率与输出负载的关系曲线

结论
    基于开关稳压器的正至负电压转换被广泛地应用于 LCD 设备、音频放大器、工业和测量设备。以上介绍的三款设计表明：正至负电压转换器的设计可以轻松完成。