引言
大多數實際的電子設備都要求有一個輸入電壓源。其可以是針對手持或便攜式設備的電池、針對家庭消費類電子產品的 115-V AC 線壓源或壁式電源，也可以是針對工業或電信應用的一個穩壓 DC 電壓總線。一般而言，輸入電壓源必須被轉換為一個或多個低電壓源，以為諸如處理器、存儲器、FPGA 或其他邏輯電路等單獨的電路供電。降壓轉換器通常用來從較高的電壓源獲得所需的輸入電壓。在某些應用中，可能需要從正輸入電壓源生成一個負電壓，此類應用包括音頻放大器、線路驅動器及接收機或儀表放大器。在此類情況下，將降壓轉換器配置成一個反相降壓－升壓拓撲結構（該拓撲結構的輸出電壓相對接地而言為負）是有可能實現的。
基本降壓拓撲結構
為了了解反相降壓－升壓電路的工作原理，首先要考慮降壓轉換器的基本拓撲結構，如圖 1 所示。藍色虛線框中的組件通常會被集成到轉換器的集成電路中，而該虛線框外面的一些組件則是所需的外部組件。
圖 1 降壓拓撲結構
當 FET 開關處于開啟狀態時，電感的電壓為 VIN – VOUT，同時通經電感的電流以如下速率上升：
當開關處于關閉狀態時，電感電壓將會發生逆變，以維持電感電流的連續性。假設二極管的壓降較小，那么電感電流將以 di/dt = VOUT/L 的速率斜坡下降。在 FET 開關處于開啟和關閉的兩種狀態下，恒定負載電流一直由電感承載。平均電感電流等于負載電流，且峰至峰電感紋波電流為：
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其中，VIN 為輸入電壓；VOUT 為輸出電壓；D 為占空比 VOUT/VIN；fSW 為開關頻率；L 為輸出電感。
反相降壓—升壓拓撲結構
將前面所述的工作原理和圖 2 所示的反相降壓－升壓拓撲結構進行對比。相對于圖 1 中的降壓轉換器而言，電感和環流二極管的位置實現了對調；同時，由于輸出電壓為負，因此輸出電容器的極性被巔倒。在運行期間，當 FET 開關處于開啟狀態時，電感電壓為VIN，且電流以 di/dt = VIN/L 的速率斜坡上升。FET 開關處于開啟狀態的同時，總負載電流由存儲于輸出電容中的能量提供。當 FET 開關處于關閉狀態時，電感極性將發生巔倒，以維持電感電流的連續性。電感電壓大約為 VOUT，同時電感電流以 di/dt = –VOUT/L 的速率斜坡下降。在關閉期間，電感為負載提供電流，并對開啟期間電容損失的能量進行補充。因此，就降壓－升壓電路而言，平均電感電流為：
且峰至峰電感電流為：
占空比 D 大約為：
圖 2 反相降壓—升壓拓撲結構
當降壓轉換器被用作降壓－升壓轉換器時，電路運行中的這些基本差異就顯得非常重要了。
設計考慮因素
當在一個反相降壓－升壓拓撲結構中使用非同步降壓轉換器時，我們必須要考慮到一些問題。設計方程式需以簡化的形式給出，使用理想的半導體，并忽略其他組件的損耗。為了實施圖 2 中所示的降壓－升壓拓撲結構，要將降壓轉換器接地引腳連接至 VOUT，同時要將輸出電容的正導線連接至接地。則連接至 GND器件的 VIN 引腳電壓為 VIN – (–VOUT)，而并非如降壓轉換器中的 VIN 那樣。這種組合電壓必須低于所選器件規定的 VIN。
工作占空比為：
且平均電感電流為：
這些值還不同于降壓轉換器的值，其占空比 (D = VOUT/VIN) 和平均電感電流都等于輸出電流。
由于平均輸出電流不能超出器件的額定輸出，所以有效負載電流減少至原來的 1 – D。因此，就本設計而言，最大有效 DC 負載電流為 ISW × (1 – D) = ILoad，其中，ISW 為高側開關 FET 的平均額定電流。
另外，由于某些原因，我們應保持較小的電感 AC 紋波電流。峰值電感電流（平均電感電流加上峰至峰 AC 電流的一半）必須低于內部電路電流限定值。在 DC 輸出電流以下時電路將開始在非連續傳導模式中運行，而電感 AC 紋波電流還決定了該 DC 輸出電流的大小。當 DC 輸出電流等于峰至峰 AC 電流的一半時，就會出現這種運行模式。一般而言，這一限制會比電流限制更為嚴格。紋波電流還會極大地影響輸出電壓紋波。低電感紋波電流可提供更為穩定的輸出電壓。
對反相降壓－升壓轉換器而言，非連續模式和連續模式運行之間存在著極大的差異。當高負載電流使在非連續模式中運行穩定的設計運行于連續模式時（在該模式運行期間反饋回路包含了一個右半平面零點1），這些設計可能會變得不穩定。
VIN 至接地以及 VIN 至 VOUT 的旁路電容應該被用于輸入端。VIN 至 VOUT 的旁路和器件電壓輸入端交叉在一起。
典型波形
為了說明這兩種拓撲結構之間存在的一些性能差異，我們為每一類型結構均構建了一個測試電路。這兩個電路均使用一個 24－V 輸入電壓。降壓轉換器在電流為 2A 時的輸出電壓為 5-V，而反相降壓－升壓轉換器在電流同樣也是 2A 時的輸出電壓為 –5-V。反相降壓－升壓和降壓轉換器的輸出電壓紋波和開關節點波形如圖 3 和圖 4 所示。需要注意的是，該反相降壓－升壓轉換器 VIN 至 VOUT 以及降壓轉換器 VIN 至接地的開關節點電壓均不同，在每幅圖左側位置用 C2 標明接地參考線壓。還需要注意的是，輸出電壓紋波并未表明典型降壓轉換器的線性斜坡特征。在降壓轉換器中，AC 部分電流通過輸出濾波器電容被分路至接地的同時，向負載提供平均電感電流。紋波電壓的主要組成部分是 AC 紋波電流乘以輸出電容的等效串聯電阻，從而形成一種類似于在 FET 開關開啟期間上升而在關閉期間下降斜坡的波形。就反相降壓－升壓轉換器而言，輸出電容在開關開啟期間提供負載電流，同時在開關關閉期間被重新充電。該充－放電周期與 AC 紋波電流相疊加以生成如圖所示的更為復雜的紋波電流。請謹記，輸出電壓為負，因此波形的正向部分代表變為更小負值的輸出，或者周期的放電部分。
圖 5 和圖 6 分別顯示了反相降壓－升壓轉換器和降壓轉換器的高側開關電流情況，每一個轉換器都具有相同的 2A 負載電流。正脈沖代表了傳導期間流經開關至電感的電流。當開關處于關閉狀態時，圖 5 中反相降壓－升壓轉換器的電感電流必須保持連續，并流環流二極管，而非高側開關元件。就圖 6 中的降壓轉換器而言，由于電感被直接連接至輸出，因此傳導期間的平均電流等于輸出電流。在這種拓撲結構中，在開關開啟和關閉期間， 輸出電流都由電感提供。就反相降壓－升壓轉換器而言，情況并不是這樣的；所以，開關開啟期間的平均開關電流為 IOUT/(1 – D)。
圖 3 反相降壓—升壓輸出電壓紋波 圖 5 反相降壓—升壓開關電流
以及開關節點電壓
圖 4 降壓輸出電壓紋波以及開關節點電壓 圖 6 降壓開關電流
輸入電壓限制
除了轉換器的 VIN – (–VOUT) 輸入電壓限制以外，在低端設備市場，可能還有一些除最小占空比或開啟時間規范要求以外的輸入電壓限制。許多 DC/DC 轉換器電路都包括了一個欠壓鎖定 (UVLO) 電路。在降壓結構中，最小輸入電壓將受 UVLO 電平的限制。這種限制在反相降壓－升壓轉換器中也同樣存在；然而，UVLO 閾值和器件接地相關，其被配置為 VOUT。在啟動時，輸出為 0 V；因此，無論 VIN 和 VOUT 之間的差值如何，保證正確啟動的最小輸入電壓均等于 UVLO 電平。
結論
如果將電路配置為一個反相降壓－升壓轉換器，我們就可以利用降壓轉換器從正輸入電壓生成負輸出電壓。雖然電路設計簡單明了，但是應謹記這些重要事項。輸出電流要低于平均電感電流 1 – D 倍，因此有效輸出電流將會低于器件額定電流。輸出電壓為負，并且存在于器件接地引腳上，因此器件輸入端的有效電壓為 VIN – VOUT，該差值一定不要超過器件的輸入電壓額定值。最后，器件的接地不應連至系統接地。 |
