【導讀】降壓拓撲通常用于將較大的總線或系統(tǒng)電壓轉換為較小的電壓，使用降壓轉換器的優(yōu)點在于，與執(zhí)行相同轉換的線性調節(jié)器相比，效率非常高。為了從正輸入電壓產生負輸出電壓，設計者通常會選擇降壓-升壓拓撲結構或可能的SEPIC轉換器，這兩者都提供了比線性調節(jié)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(jié)點參考，就可以創(chuàng)建一個負升壓轉換器。
具備恒定導通時間（COT）控制方式的轉換器將高效調節(jié)與極小的瞬態(tài)響應時間和簡單的設計相結合，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(jié)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或系統(tǒng)電壓轉換為較小的電壓，使用降壓轉換器的優(yōu)點在于，與執(zhí)行相同轉換的線性調節(jié)器相比，效率非常高。為了從正輸入電壓產生負輸出電壓，設計者通常會選擇降壓-升壓拓撲結構或可能的SEPIC轉換器，這兩者都提供了比線性調節(jié)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(jié)點參考，就可以創(chuàng)建一個負升壓轉換器，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柵極驅動器關斷。在LCD顯示器和嵌入式應用中也觀察到了其他用途，其中一些特定應用的IC需要負電源，該電路在負輸出開關調節(jié)器應用中提供了正輸出降壓轉換器的優(yōu)點。
2.設計簡圖
設計簡圖是圍繞COT同步降壓轉換器來構建的，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開發(fā)一種非常簡單的電源，而無需補償。從內部低側MOSFET產生電流斜坡反饋，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，然而有一個關鍵的區(qū)別在于，電感器的節(jié)點連接從Vout到0V的變化會導致電路電流的變化，這反過來又允許產生負輸出電壓，IC的0V現(xiàn)在變成負輸出電壓。
圖13-3：從圖13-2中得到的節(jié)點波形的模擬
MOSFET驅動波形如圖13-3所示，類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?shù)蛡萂OSFET導通時，大部分幅度從-3.3V到0V，下一個軌跡表示輸出電壓-3.3V。
接下來可以看到電感器電流，其中心在0A附近，模擬中沒有負載，接下來出現(xiàn)的關鍵波形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斷開而M2接通時，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(xiàn)在電感器兩端的電壓將是Vin+|Vout|。
其余的計算結果類似于一個標準的降壓轉換器。
3.設計計算
該電路的總體設計規(guī)范如下：
Vin=12V，Vout=-3.3V，fsw=600kHz，Iout=3A，Vrapite=150mV，Vin_ripple=100mV。
器件感測通過低側MOSFET的電流，因此這個信號需要相當大，以便從可能存在的任何系統(tǒng)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%，允許用戶縮小電感器的尺寸。值得注意的是，在這一點上，控制器的計算相對簡單，因為系統(tǒng)以COT拓撲運行，同時也在內部控制通過低側MOSFET的電流，幾乎沒有需要設計計算的外部部件。
表13-1：設計參數(shù)
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：實際設計原理圖
示意圖13-4表示節(jié)點參考的變化，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，這將在打開和關閉時保護部件。
4.典型波形
瞬時響應
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，得益于高開關頻率，電壓波動不超過80mV。
啟動時電壓升高
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(jié)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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