在开关稳压器设计中选择正或负降压拓扑

用于正电压的高效降压开关稳压器非常普遍。然而，负降压开关稳压器（负电压输入、负电压输出、公共接地）并不为人所知，尽管它们经常被需要。虽然它们不难设置，但关于如何构建它们的文献却相当稀少。

本文分析了负降压拓扑的架构和详细操作。它还将讨论拓扑的实际电路实现，从系统角度到所需电路块的构建，并包括有关如何构建电压转换器电路的示例，这是使用现成的升压 IC 实现负降压稳压器的关键块。

图 1：所示为负降压拓扑的基本架构。

负降压拓扑

上面的图 1 显示了负降压开关转换器的基本架构。与 positivebuck 设计一样，它在输入和输出之间有一个高侧通器件、一个 LC 输出滤波器和一个钳位二极管。两个大的区别是控制 IC 和反馈电路中所需的栅极驱动。

在正降压中，用作高侧传输器件的典型负沟道 FET (NFET)需要高于（更正）系统输入电压 (Vin) 的栅极驱动电压才能开启。由于输入电压已经是系统中正的电压，因此需要特殊电路来产生更高的电压。

正降压 IC 通常内置此功能。在负降压中，用作高侧传输器件的 NFET 还需要比系统输入 (-Vin) 更正的栅极驱动电压。在这种情况下，由于该输入电压是系统中负的电压，因此不需要特殊电路。

所有其他电压，包括输出，都“更高”（更正），转换器接地是系统中正的电压。在这些情况下，可以使用低侧 FET脉宽调制器 控制 IC（例如升压/反激式稳压器或控制器）来实现转换器。

各种 IC 可用于实现负降压转换器，包括控制器和具有低侧 NFET 的集成单片稳压器。单片 IC 提供简单、易于实施和更少的组件数量。当需要更大的输出电流以及需要优化效率和热耗散时，控制器可提供更大的灵活性。

图 2：这种负降压拓扑使用单片 LM5001 升压/反激式稳压器。

上面的图 2显示了带有内置 75V、1A NFET 的负降压拓扑中 3.1-75V 输入电压范围升压/反激式稳压器的简化图。

在常规升压应用中，它会向其内置的传输 N 沟道 MOSFET 提供比地高几伏的栅极驱动电压，以将其打开。在负降压应用中，栅极驱动仍会产生比 IC 接地引脚高几伏的栅极电压，在这种情况下，它与系统的输入电压 (-Vin) 相关，并将产生所需的结果。

与常规升压不同，但与常规降压相同，图 2中的峰值 IC 开关电流与峰值电感器/输出电流相同，因此允许 1A 升压 IC 用于高达 1A 的输出电流。其他具有不同额定值的稳压器将用于更高或更低的开关电流。如果控制器，则可以在与图中所示配置类似的配置中使用它。

电压转换器

在使用现成升压 IC 的负降压架构中的另一个特殊考虑是反馈路径所需的信号调节。大多数 IC 的反馈 (FB) 引脚需要大约 1.25V（相对于地）的电压以维持调节。该电压通常从输出 (Vout) 获得，并通过分压电阻网络简单地按比例缩小。

这种技术很容易允许施加的电压输出随着输出下降而上升和下降，这是保持适当调节所必需的。当在正降压中采用这种方法时，FB 电压和输出电压自然以系统接地和 IC 接地引脚为参考，因此不需要调节或转换。

在使用低侧 FET 升压 IC 实现的负降压应用中，输出 (-Vout) 及其任何分压样本仍以系统地为参考。然而，由于 IC 接地引脚连接到 -Vin 而不是系统接地，IC 将无法正确读取 FB 电压（也无法正确保持调节），因此需要转换此电压，以便以 IC 接地引脚为参考。

这种电压转换由图 1 和图 2 中标记为“电平转换”的小方框表示。有多种方法可以在硬件中实现这一点。

图 3：可以使用由两个 pnp 晶体管构建的电流镜在硬件中实现电压转换。

上面的图 3 显示了一种简单、常见且可能成本更低的方法。它使用由几个廉价的 pnp 晶体管构建的电流镜。为获得性能和更严格的调节精度，建议使用配对。

匹配对可以在单个包装中找到；一个很好的例子是DMMT3906。在图 3 中，Rf1 和 Rf2 按比例缩小镜像电压，因此用于设置稳压器的输出电压（就像任何可调稳压器的情况一样）。换句话说，反馈增益是|Vref /Vout| 和|Vout| 是 Vref x Rf1 / Rf2，其中 Vref 是 IC 反馈引脚（参考）电压。下面的图 4显示了电流镜电路的变体。

图 4：电流镜电路的这种变体使用单个 pnp 晶体管和分立二极管电流镜。

在该电路中，使用了单个 pnp 晶体管。D1 通过抵消 Q1 的 pnp 发射极-基极电压的温度漂移影响来提供输出电压温度补偿。D2 和 D3 为 D1 所需的偏置电流提供一些预调节，从而将线路调节和纹波抑制提高两倍。

通过用LM385-1.2或LM4040-2.5等电压基准替换两个串联连接的二极管，可以进一步提高性能。

为了简化电路，或者如果输入电压相对恒定并且纹波非常小，可以取消 D2 和 D3，并将偏置电阻组合在一起。此外，消除 D1 将提供输出电压的负温度系数。

运算放大器选项

与使用分立元件进行设计相比，更喜欢运算放大器的好处和简单性的设计人员可以使用运算放大器实现电压转换电路，如下面的图 5所示。

图 5：喜欢使用分立元件过度设计运算放大器的好处和简单性的设计人员可以使用运算放大器实现电压转换电路。

通过将运算放大器连接到与感测和放大差分电压时使用的配置非常相似的配置中，它可以用于负降压配置，以共同降低输出电压。这使其适用于 FB 引脚（从而设置稳压器的输出电压），同时将该电压的参考从系统地转移到 -Vin 轨。

使用的具体运算放大器取决于应用要求，但通用运算放大器通常就足够了。低失调电压对于稳压器的电压精度很重要，运算放大器需要具有大于应用的 Vout 幅度的共模电压范围。

结论

各种升压/反激式稳压器可用于实现负降压转换器。具有宽输入电压范围的稳压器和控制器被用作示例，因为它们在广泛的应用中具有灵活性。

尽管升压 IC 是实现负降压转换器的容易获得的现成解决方案，但重要的是要重申，我们实际上不是在升压负电压，而是在降压它，因此选择外部的所有设计参数和标准组件（电感器、MOSFET、补偿等）需要降压，而不是升压设计。

开关电流是转换器的输出电流，如降压。电感值也应使用纹波电流来选择，如降压。与常规正降压一样，拓扑结构也没有右半平面零。

如果使用电压转换电路，如图 3 或 4 中的电路，很明显，补偿可以变得非常灵活，因为添加一个极点或一个零点就像添加一个与 Rf1（零）或 Rf2（极）。