漫談交換式電源的原理與設計

我們花了十多次的篇幅，說明了常用的交換式電源的原理。從可以升壓的 boost converter 開始，到降壓用的 buck converter，我們用 MC34063A 這顆古老但歷久彌新的交換式電源控制 IC，示范了電路的原理和設計，也帶大家使用 TI 的零件選擇工具和在線仿真工具來設計電路，這一回我們要簡單聊一下用來反轉(zhuǎn)電壓的 inverting converter。

反轉(zhuǎn)世界

Invertering converter 是交換式電源中相當特殊卻比較少用到的一種，它的輸出電壓極性和輸入電壓的極性相反，而且輸出電壓的絕對值可以比輸入電壓高或低，因此在某些分類上它也被歸類為「buck-boost converter」，也就是可以升壓或降壓的電源轉(zhuǎn)換器，但一般來說，它仍然比較常用來產(chǎn)生與輸入電壓極性相反的電壓。

所謂極性相反，其實就是針對同一個參考地電位，如果輸入電壓是正的，輸出電壓就是負的。

那什么時候會用到負的電壓呢？

在很早很早的年代，有一些 DRAM 芯片會需要好幾組不同的電源電壓，其中有一組就是負的電壓。比方說 Apple II 計算機上用的 DRAM 芯片 4116（一顆只有 16 K bits，也就是 2 K bytes）就需要 +12 V、+5 V 和 -5 V 三組電源，因此 Apple II 的主板電源供應器上就有 -5 V 的輸出。當然這是非常久以前的需求，隨著半導體制程的進步，后來的 IC 即使有負電壓的需求，也都可以在芯片上利用 charge pump 電路產(chǎn)生所需的負電壓，不需要再外接負的電源。

除了 DRAM 之外，早期有一種速度很快的邏輯電路 IC 叫做 ECL（它的邏輯準位跟一般的邏輯 IC 很不一樣，其工作電壓是負的，因此需要負的電源供應器），它在 CMOS 電路的傳遞延遲還要十幾二十 ns 的年代，就可以達到 2 ns 以下的傳遞延遲。

80 年代許多超級計算機都是使用這種叫做 ECL（emitter-coupledlogic）的晶體管邏輯 IC 設計的，但隨著半導體制程的進步，CMOS 邏輯的速度越來越快，又有消耗功率低的優(yōu)勢，ECL 也越來越少看到了。

至于模擬電路，常見的雙極性放大電路也會需要負的電壓，讓輸入和輸出訊號都可以在正電壓和負電壓之間擺蕩，但由于模擬電路對電源噪聲比較敏感，一般如果是運算放大器需要雙電源，不會用交換式電源來供應，因為交換式電源一定會有輸出漣波，常見的做法是把輸入和輸出偏移到 1/2 VCC，把 VCC 當正電源、GND 當負電源準位來使用。

因為以上種種理由，現(xiàn)在的電路設計中會用到負電源的場合越來越少，所以 inverting converter 使用的機會也越來越少，所以我們將它放在這個系列的最后。

電路結(jié)構

上圖是簡化后的 inverting converter 電路。如果有看過這個系列的讀者，對這個電路一定覺得不陌生，它看起來有點想 buck converter，又有點像 boost converter。

其實不管是 buck、boost，還是 inverting converter，工作的原理都一樣：在某個周期中，先把能量儲存在電感中，在另一個周期中，將能量從電感里釋放出來，而儲存能量時，負載就由輸出的濾波電容器暫時供電。

我們來看看 inverting converter 怎么工作的。

在一開始的儲能周期中，切換開關閉合，電流由輸入流向電感，將能量儲存在電感中，而圖中的二極管則限制了對電感充電的電流，只能流向電感，不會流向輸出。

接下來，切換開關斷開。此時，電感因為有著「不允許電流有不連續(xù)變化」的特性，會讓上面的電流持續(xù)往同一個方向流動，同時因為電流的變化率會從「增加」變?yōu)椤笢p少」，根據(jù)我們之前推導過很多次的交換式電源電路原理，在電流變化率轉(zhuǎn)變的同時，電感上的電壓方向也會反轉(zhuǎn)。

因此在這個周期中，電感上的電流持續(xù)往同一個方向流動，但是電感上的電壓卻反轉(zhuǎn)了，這個反轉(zhuǎn)的電壓就流向輸出，同時對輸出的濾波電容充電。

又回到電感的儲能周期。這時由于輸出的濾波電容已經(jīng)在上一個周期充飽電荷，因此在儲能周期時，濾波電容里的電荷可以繼續(xù)供應負載所需的電流。

重復以上第二個、第三個狀態(tài)，就能持續(xù)不斷供應極性已經(jīng)反轉(zhuǎn)的電源給負載。

我們之前說過，boost 電路之所以輸出電壓一定比輸入電壓高，是因為當電感在放電周期時，電感上的電壓與輸入電壓串聯(lián)，但在 inverting 結(jié)構中，電感放電時，它只透過二極管與負載串接，沒有輸入電壓的介入，因此 inverting converter 可以輸出的電壓范圍是 0 到負無限大，至于要負多大，則一樣是由電感充放電的 duty cycle 來決定。

輸出電壓控制

推導的過程照例我略過，直接告訴讀者結(jié)果：

VOUT / VIN = -D /(1-D)

D 就是我們之前的 duty cycle：D = TON/ (TON + TOFF)

我們?nèi)绻麑⑸厦婺莻€輸出電壓與輸入電壓的比值畫成圖，就會得到：

可以看出，這個曲線跟 boost converter 的控制曲線非常相似，因為它們都有一項（1-D）在分母，因此畫出來的曲線會是雙曲線的一部分。

和 boost converter 一樣，雖然輸出電壓「似乎」可以達到無限大或負無限大，但當 duty cycle 過了某個比值（大概是 0.9）后，電壓就會快速上升。在這個區(qū)間中，duty cycle 只要變化一點點，輸出電壓的變化就會非常大，這會造成控制電路設計上的困難，因此如同 boost converter 一樣，一般我們設計 inverting converter 時，會將 duty cycle 限制在 0.8，甚至更低的比值以下。

電路實戰(zhàn)

我們之前在介紹 boost 或 buck converter 時，有用 MC34063A 來示范實際可以運作的電路。不管是 buck 還是 boost，它們的控制特性都是「TON 的時間越長，輸出電壓就越高」，因此兩者可以用同一種控制邏輯來控制：「輸出電壓低于目標電壓，TON 就開長一點；輸出電壓高于目標電壓，TON 就開短一點甚至不開」。

那么 MC34063A 可以用來做 inverting converter 嗎？我們來看看 inverting converter 的控制曲線，它其實跟 boost converter 很類似，也是 duty cycle 越大，輸出電壓就越大，只是是「負」的越大。

因此 MC34063A 也可以拿來做 inverting converter 的設計，但特別要注意的地方是回授電壓的安排。因為當輸出是負電壓時，經(jīng)過回授分壓電阻而產(chǎn)生的回授電壓也會是負的，但 MC34063A 并不能接受負的回授電壓，它里面的比較器參考電壓仍是 1.25 V，不是 -1.25 V。

該怎么辦呢？山不轉(zhuǎn)路轉(zhuǎn)，其實我們只要把 MC34063A 的內(nèi)部比較器用來當作參考地電位的第四腳 GND，接到輸出電壓上就好了。因為 VOUT 是整個電路中最低的電壓，電路中 GND 的電壓其實比 VOUT 還高，因此對于 MC34063 來說，這樣接的時候 VFB 拿到的電壓會變成「負的負 1.25 V」，負負得正，MC34063A 就會「看到」 1.25 V 的回授電壓了。

上圖是 MC34063A 的 datasheet 中，關于 inverting converter 的示范電路?？梢钥吹皆?boost 或 buck converter 電路中接到 GND 的第四腳，在 inverting converter 的電路中被接到 VOUT，而另一個要注意的地方是，因為用來設定交換頻率的振蕩器控制電容 CT 也會參考 1.25 V 的比較電壓，所以這個電容器的負極也一樣要接到第四腳，與整個控制電路共享同一個參考電位。

小結(jié)

關于交換式電源的這個系列文章，我們就說到這里了。我們在過去的大半年，帶著讀者看了 boost converter、buck converter，也示范了利用單顆 IC 設計的電源電路，或是需要外加晶體管以增加輸出功率的 controller 電路，最后我們在這一回簡單介紹了 inverting converter，用來產(chǎn)生與輸入與電壓相反的負電壓。

希望這個系列能對讀者們在交換式電源電路上的了解有所幫助！電源電路博大精深，這里面其實還有很多技術細節(jié)和原理有待探討，希望這個系列能成為一個重要的引子，讓讀者們以后在面對相關電路時，知道要往哪里找線索。

審核編輯：湯梓紅