引言
    高效型高電壓降壓控制器和模塊的發(fā)展使得能夠采用降壓開關穩(wěn)壓器拓撲結(jié)構來設計高性能的正至負電壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 ━━ 無需變壓器 (見圖 1)。事實上，正至負電壓轉(zhuǎn)換器越來越多地使用降壓型拓撲結(jié)構，變壓器的標準化是一個重要的推動因素。

圖 1：正至負電壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構示意圖

相比基于變壓器的傳統(tǒng)拓撲結(jié)構，降壓型拓撲結(jié)構具有諸多的優(yōu)勢，其中最重要的就是轉(zhuǎn)換器的簡單性和低元件數(shù)目。圖 2 示出了功率鏈路的固有簡單性，它包括一個頂端 MOSFET Q1、單個電感器 L1、二極管或底端 MOSFET Q2 及輸出濾波器。輸出電壓由降壓 IC 控制器 U1 調(diào)節(jié)。倘若采用集成型解決方案，那么功率鏈路的組件數(shù)目可進一步減少至 2 個或甚至 1 個，如圖 3 和圖 4 所示。

 
圖 2：采用分立組件的正至負電壓轉(zhuǎn)換器，V_IN = 5V 至 14V，V_OUT = 5V/4A

圖 3：采用一個具集成型 MOSFET 的穩(wěn)壓器 IC 的正至負電壓轉(zhuǎn)換器，
V_IN = 5V 至 14V，V_OUT = 3.3V/5A
 
圖 4：采用全集成型µModule DC/DC 轉(zhuǎn)換器的正至負電壓轉(zhuǎn)換器，
V_IN = 5V 至 14V，V_OUT = 5.0V/7A

基本操作、轉(zhuǎn)移函數(shù)和組件應力
    本文給出了掌握正至負電壓轉(zhuǎn)換器功能性的應用知識所需的基本拓撲示意圖和公式。有關其工作原理 (包括降壓-升壓) 的更全面研究請見參考文獻 * 。

對于連續(xù)導通模式操作，占空比、平均電感器電流可從下式獲得：

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

雖然正至負電壓轉(zhuǎn)換器看似降壓型轉(zhuǎn)換器，而且其工作原理基本上類似于降壓型轉(zhuǎn)換器，但它并不是降壓型轉(zhuǎn)換器。主要的區(qū)別是：在正至負電壓轉(zhuǎn)換器中，電感器不像在降壓型轉(zhuǎn)換器中那樣連續(xù)地向負載輸送能量和電流。在導通期間，Q1 接通，Q2 關斷，Q2 的體二極管被施加反向偏置且電感器與負載斷接，而由輸出濾波器給負載供電 (見圖 1a)。如圖 1b 所示，當 Q1 關斷和 Q2 接通時，能量和電流從電感器 L 輸送至輸出濾波器。

在相同的輸出電流下，負輸出拓撲結(jié)構的平均及峰值電感器電流大于降壓型拓撲。例如，在圖 2 所示的電路中：輸出電流為 4A，但在 9V 輸入電壓條件下，平均電感器電流為 6.22A，而峰值電感器電流為 7.32A。這一事實對于組件選擇、效率和輸出紋波具有重要的意義，不過，憑借正確的組件選擇可以實現(xiàn) 94%~95% 甚至更高的效率。

V_MAX = V_IN + |V_OUT| 是晶體管 Q1 和 Q2 兩端的最大電壓。根據(jù)下面的表達式，可以得出流過晶體管 Q1、Q2 和電感器 L 以及二極管 D 的最大電流 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 為控制器的最大占空比。流過 Q1 的平均電流等于 I_L•D，而流過 Q2 的平均電流等于 I_OUT。對于這種拓撲結(jié)構，開關引腳和檢測引腳上的最大電壓限定了控制器的選擇。

三款正至負電壓轉(zhuǎn)換器
    圖 2、圖 3 和圖 4 示出了采用這種拓撲結(jié)構的實際正至負電壓轉(zhuǎn)換器。圖 2 給出的是一種分立式配置，包括了兩個晶體管、一個電感器、一個 LTC3834-1 控制器和輸入 / 輸出濾波器。LTC3834-1 的接線簡單明確，用戶可以選擇 3 種固定頻率：250kHz、530kHz 或 400kHz (通過 PLLLPF 引腳) 和 3 種操作模式：突發(fā)模式 (Burst Mode®) 操作、脈沖跳躍和強制連續(xù)模式 (通過 PLLIN/MODE 引腳)。該電路的效率高達 93% 左右。

圖 3 所示為一種更加緊湊的設計，其中開關 MOSFET 被集成到了 LTC3608 單片式同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之中。另外，LTC3608 還利用內(nèi)部電流檢測節(jié)省了空間。該器件采用谷值電流模式控制并檢測內(nèi)部底端 MOSFET兩端的電流。工作頻率由負責控制頂端 MOSFET 開關導通時間的單穩(wěn)定時器確定。頻率由電阻器 R_FRQ 設置，并被設定為 300kHz。效率幾乎達到了 94%。

圖 4 中的電路通過采用一個 LTM4601 µModule® 穩(wěn)壓器進一步簡化和精簡了整個應用電路的設計。整個應用電路的占用空間僅為 15mm x 15mm x 2.8mm，而且是即用型的，無需進行組件選擇或故障檢修。這是通過將開關 MOSFET 和電感器集成在封裝中實現(xiàn)的。LTM4601 的最小輸入電壓為 4.5V，最大輸出為 20V 和 12A。

上述的三款電路均可在 5V 至 14V 的輸入電壓范圍內(nèi)運作，但表述的輸出電流適用于 9V 至 14V 的電壓范圍。當電壓低于 9V 時，輸出電流應降額。輸出電壓可以通過改變電阻器 R_FB 在 -1.2V 至 -5V 之間進行調(diào)整。效率曲線如圖 5 所示。

 
圖 5：本文介紹的三款應用電路的效率與輸出負載的關系曲線

結(jié)論
    基于開關穩(wěn)壓器的正至負電壓轉(zhuǎn)換被廣泛地應用于 LCD 設備、音頻放大器、工業(yè)和測量設備。以上介紹的三款設計表明：正至負電壓轉(zhuǎn)換器的設計可以輕松完成。