在開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中選擇正或負(fù)降壓拓?fù)?/p>

    用于正電壓的高效降壓開關(guān)穩(wěn)壓器非常普遍。然而，負(fù)降壓開關(guān)穩(wěn)壓器（負(fù)電壓輸入、負(fù)電壓輸出、公共接地）并不為人所知，盡管它們經(jīng)常被需要。雖然它們不難設(shè)置，但關(guān)于如何構(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。它還將討論拓?fù)涞膶?shí)際電路實(shí)現(xiàn)，從系統(tǒng)角度到所需電路塊的構(gòu)建，并包括有關(guān)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>    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 positivebuck 設(shè)計(jì)一樣，它在輸入和輸出之間有一個(gè)高側(cè)通器件、一個(gè) LC 輸出濾波器和一個(gè)鉗位二極管。兩個(gè)大的區(qū)別是控制 IC 和反饋電路中所需的柵極驅(qū)動。
    在正降壓中，用作高側(cè)傳輸器件的典型負(fù)溝道 FET (NFET)需要高于（更正）系統(tǒng)輸入電壓 (Vin) 的柵極驅(qū)動電壓才能開啟。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，用作高側(cè)傳輸器件的 NFET 還需要比系統(tǒng)輸入 (-Vin) 更正的柵極驅(qū)動電壓。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/反激式穩(wěn)壓器或控制器）來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器。

    各種 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 提供簡單、易于實(shí)施和更少的組件數(shù)量。當(dāng)需要更大的輸出電流以及需要優(yōu)化效率和熱耗散時(shí)，控制器可提供更大的靈活性。

    圖 2：這種負(fù)降壓拓?fù)涫褂脝纹?LM5001 升壓/反激式穩(wěn)壓器。
    上面的圖 2顯示了帶有內(nèi)置 75V、1A NFET 的負(fù)降壓拓?fù)渲?3.1-75V 輸入電壓范圍升壓/反激式穩(wěn)壓器的簡化圖。
    在常規(guī)升壓應(yīng)用中，它會向其內(nèi)置的傳輸 N 溝道 MOSFET 提供比地高幾伏的柵極驅(qū)動電壓，以將其打開。在負(fù)降壓應(yīng)用中，柵極驅(qū)動仍會產(chǎn)生比 IC 接地引腳高幾伏的柵極電壓，在這種情況下，它與系統(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，則可以在與圖中所示配置類似的配置中使用它。
    電壓轉(zhuǎn)換器
    在使用現(xiàn)成升壓 IC 的負(fù)降壓架構(gòu)中的另一個(gè)特殊考慮是反饋路徑所需的信號調(diào)節(jié)。大多數(shù) IC 的反饋 (FB) 引腳需要大約 1.25V（相對于地）的電壓以維持調(diào)節(jié)。該電壓通常從輸出 (Vout) 獲得，并通過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)簡單地按比例縮小。
    這種技術(shù)很容易允許施加的電壓輸出隨著輸出下降而上升和下降，這是保持適當(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以系統(tǒng)接地和 IC 接地引腳為參考，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以系統(tǒng)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，IC 將無法正確讀取 FB 電壓（也無法正確保持調(diào)節(jié)），因此需要轉(zhuǎn)換此電壓，以便以 IC 接地引腳為參考。
    這種電壓轉(zhuǎn)換由圖 1 和圖 2 中標(biāo)記為“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 顯示了一種簡單、常見且可能成本更低的方法。它使用由幾個(gè)廉價(jià)的 pnp 晶體管構(gòu)建的電流鏡。為獲得性能和更嚴(yán)格的調(diào)節(jié)精度，建議使用配對。

    匹配對可以在單個(gè)包裝中找到；一個(gè)很好的例子是DMMT3906。在圖 3 中，Rf1 和 Rf2 按比例縮小鏡像電壓，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，反饋增益是|Vref /Vout| 和|Vout| 是 Vref x Rf1 / Rf2，其中 Vref 是 IC 反饋引腳（參考）電壓。下面的圖 4顯示了電流鏡電路的變體。

    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。
    在該電路中，使用了單個(gè) pnp 晶體管。D1 通過抵消 Q1 的 pnp 發(fā)射極-基極電壓的溫度漂移影響來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。
    通過用LM385-1.2或LM4040-2.5等電壓基準(zhǔn)替換兩個(gè)串聯(lián)連接的二極管，可以進(jìn)一步提高性能。
    為了簡化電路，或者如果輸入電壓相對恒定并且紋波非常小，可以取消 D2 和 D3，并將偏置電阻組合在一起。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)算放大器的好處和簡單性的設(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，如下面的圖 5所示。

    圖 5：喜歡使用分立元件過度設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器的好處和簡單性的設(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。
    通過將運(yùn)算放大器連接到與感測和放大差分電壓時(shí)使用的配置非常相似的配置中，它可以用于負(fù)降壓配置，以共同降低輸出電壓。這使其適用于 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)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)電壓對于穩(wěn)壓器的電壓精度很重要，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
    各種升壓/反激式穩(wěn)壓器可用于實(shí)現(xiàn)負(fù)降壓轉(zhuǎn)換器。具有寬輸入電壓范圍的穩(wěn)壓器和控制器被用作示例，因?yàn)樗鼈冊趶V泛的應(yīng)用中具有靈活性。
    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)際上不是在升壓負(fù)電壓，而是在降壓它，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祲?，而不是升壓設(shè)計(jì)。
    開關(guān)電流是轉(zhuǎn)換器的輸出電流，如降壓。電感值也應(yīng)使用紋波電流來選擇，如降壓。與常規(guī)正降壓一樣，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也沒有右半平面零。
    如果使用電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖 3 或 4 中的電路，很明顯，補(bǔ)償可以變得非常靈活，因?yàn)樘砑右粋€(gè)極點(diǎn)或一個(gè)零點(diǎn)就像添加一個(gè)與 Rf1（零）或 Rf2（極）。