【導讀】降壓拓撲通常用于將較大的總線(xiàn)或系統電壓轉換為較小的電壓，使用降壓轉換器的優(yōu)點(diǎn)在于，與執行相同轉換的線(xiàn)性調節器相比，效率非常高。為了從正輸入電壓產(chǎn)生負輸出電壓，設計者通常會(huì )選擇降壓-升壓拓撲結構或可能的SEPIC轉換器，這兩者都提供了比線(xiàn)性調節器高得多的合理效率，但是使用降壓轉換器也可以達到相同的結果，只要稍微改變同步降壓轉換器的節點(diǎn)參考，就可以創(chuàng )建一個(gè)負升壓轉換器。
具備恒定導通時(shí)間（COT）控制方式的轉換器將高效調節與極小的瞬態(tài)響應時(shí)間和簡(jiǎn)單的設計相結合，COT轉換器也可以配置在降壓-升壓拓撲中，允許輸出負電壓，本節將演示如何使用降壓DC-DC輸出負電壓。
1.設計原理
降壓拓撲通常用于將較大的總線(xiàn)或系統電壓轉換為較小的電壓，使用降壓轉換器的優(yōu)點(diǎn)在于，與執行相同轉換的線(xiàn)性調節器相比，效率非常高。為了從正輸入電壓產(chǎn)生負輸出電壓，設計者通常會(huì )選擇降壓-升壓拓撲結構或可能的SEPIC轉換器，這兩者都提供了比線(xiàn)性調節器高得多的合理效率，但是使用降壓轉換器也可以達到相同的結果，只要稍微改變同步降壓轉換器的節點(diǎn)參考，就可以創(chuàng )建一個(gè)負升壓轉換器，如圖13-1所示。
圖13-1：常用的同步Buck拓撲和負輸出Buck拓撲
這適用于需要產(chǎn)生互補輸出電壓的應用，如音頻，或需要負電壓水平的工業(yè)應用，如IGBT柵極驅動(dòng)器關(guān)斷。在LCD顯示器和嵌入式應用中也觀(guān)察到了其他用途，其中一些特定應用的IC需要負電源，該電路在負輸出開(kāi)關(guān)調節器應用中提供了正輸出降壓轉換器的優(yōu)點(diǎn)。
2.設計簡(jiǎn)圖
設計簡(jiǎn)圖是圍繞COT同步降壓轉換器來(lái)構建的，假定該轉換器具有600Khz的固定頻率，COT拓撲結構的使用允許用戶(hù)開(kāi)發(fā)一種非常簡(jiǎn)單的電源，而無(wú)需補償。從內部低側MOSFET產(chǎn)生電流斜坡反饋，因此所需的外部組件是功率LC濾波器、輸入電容去耦和自舉電容器。
圖13-2：負輸出Buck拓撲
電路的控制將與標準降壓轉換器的控制相同，然而有一個(gè)關(guān)鍵的區別在于，電感器的節點(diǎn)連接從Vout到0V的變化會(huì )導致電路電流的變化，這反過(guò)來(lái)又允許產(chǎn)生負輸出電壓，IC的0V現在變成負輸出電壓。
圖13-3：從圖13-2中得到的節點(diǎn)波形的模擬
MOSFET驅動(dòng)波形如圖13-3所示，類(lèi)似于標準降壓轉換器，還顯示了LX電壓。LX波形的范圍從-3.3V到+12V，當低側MOSFET導通時(shí)，大部分幅度從-3.3V到0V，下一個(gè)軌跡表示輸出電壓-3.3V。
接下來(lái)可以看到電感器電流，其中心在0A附近，模擬中沒(méi)有負載，接下來(lái)出現的關(guān)鍵波形IM1和IM2表示電路中的電流，注意，這些波形參考0V。電流通過(guò)高側MOSFET從+V流到0V，但是電流從正流向負，因此電流在減少，如IM1軌跡所示。當M1斷開(kāi)而M2接通時(shí)，電流從-V流到0V，這可以從增加的電流中看出，而MOSFET M2由于0V的參考點(diǎn)而顯示出減小的電流。為了確定占空比，保持了與降壓轉換器的相似性，但是現在電感器兩端的電壓將是Vin+|Vout|。
其余的計算結果類(lèi)似于一個(gè)標準的降壓轉換器。
3.設計計算
該電路的總體設計規范如下：
Vin=12V，Vout=-3.3V，fsw=600kHz，Iout=3A，Vrapite=150mV，Vin_ripple=100mV。
器件感測通過(guò)低側MOSFET的電流，因此這個(gè)信號需要相當大，以便從可能存在的任何系統噪聲中明顯探測到。這種方法是使用較大的紋波電流，設置為負載電流的40%，允許用戶(hù)縮小電感器的尺寸。值得注意的是，在這一點(diǎn)上，控制器的計算相對簡(jiǎn)單，因為系統以COT拓撲運行，同時(shí)也在內部控制通過(guò)低側MOSFET的電流，幾乎沒(méi)有需要設計計算的外部部件。
表13-1：設計參數
計算結果如表13-1所示，其中一些值已被轉換為可用的值。
圖13-4：實(shí)際設計原理圖
示意圖13-4表示節點(diǎn)參考的變化，其中Vout變?yōu)?V，0V變?yōu)閂out，必須確保0V的輸入端有去耦，-Vout的輸入端也有一些去耦，使用齊納二極管將啟用引腳箝位到4.7V，這將在打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)保護部件。
4.典型波形
瞬時(shí)響應
圖13-5：綠色=負載電流，紫色=輸出紋波電壓，+240mV，-80mV
瞬態(tài)響應具有300mV的恢復尖峰，考慮到輸出端的保持電容為22uF，這是合理的，當前步驟控制得很好。
電壓紋波
圖13-6：綠色= ILoad 2A/div，紫色=輸出紋波10mV/div
從圖13-6可以看出，電壓紋波得到了很好的控制，對于22uF的輸出電容，得益于高開(kāi)關(guān)頻率，電壓波動(dòng)不超過(guò)80mV。
啟動(dòng)時(shí)電壓升高
圖13-7：綠色= ILoad 2A/div，紫色=Vout 2V/div
從圖13-7中可以看出，電壓上升時(shí)間是單調的，這表明器件控制效果比較好。
效率和功率損失
圖13-8：效率測量條件：Vin=12V/5V，Vout=-3.3V，fsw=600kHz、L=3.3uH
5.小結
本節提供了一種從正電源創(chuàng )建高性能負電壓輸出的理想方式，需要注意的是，由于輸出電壓為負電壓，所以器件兩端的壓差為Vin+|Vout|，需要確保在零部件的額定電壓之內，包括電容。
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