负输入电压的“平行宇宙 (Parallel Universe)”

作者： John Betten 和 Brian King，德州仪器 (TI) 应用工程师

非隔离正输入拓扑具有一些可用于负输入电压的镜像拓扑，但是要特别注意控制器的选择以及偏置电源和反馈的实施。

当今消费类电子产品中使用了大量的开关 DC/DC 电源。大多数应用都使用了一种提供正 DC 电压的输入源，该电压以系统接地为参考。这些电源通常包括电池、墙上适配器或稳压 AC 电源。众所周知的一些拓扑结构（例如：降压拓扑、升压拓扑、反相降压升压拓扑和单端一次侧电感转换器 (SEPIC) 等）通常被用于从一个未稳压 DC 电源获得稳定的电压。这些常见拓扑结构可将正输入电压转换为正输出电压或负输出电压。

当必须将负输入电压用作 DC/DC 转换器的输入源时困难就出现了。诸如反向或正向的变压器隔离拓扑结构可以被用于负输入电压。但是，变压器隔离拓扑往往会比非隔离拓扑要大。另外，此类变压器几乎都是一些采购周期长、成本较高的定制器件。

幸运的是常用非隔离正输入拓扑都拥有可以被用于负输入电压的镜像拓扑。图 1 帮助我们形象化了拓扑的选择过程。在该图中，我们根据输入电压绘制出了相应的输出电压，用虚线画出的对角线表明输入电压和输出电压相等。右半边代表类似的正输入拓扑，左半边则代表较少见的负输入拓扑。这些转换器之间的许多相似之处显示其看起来像一个负输入电压的平行宇宙。

图 1

降压拓扑

降压转换器是所有电力电子课程教授的第一种开关模式拓扑，然而在绘制一个负输入降压拓扑时大多数设计人员还是会犹豫不决。正如与其相对的正输入降压拓扑一样，负输入降压拓扑具有一个始终比输出要大的输入。图 2 显示了这两种拓扑的简化示意图。二者都使用了相同的电源组件，只是其相对于接地的位置有所不同。实施负输入降压拓扑的一些难点包括控制器偏置、输出反馈和驱动电源开关。

图 2

图 3 显示的是一款负输入降压稳压器的有效实施。本例中，控制器直接从负输入轨获得电源，同时系统接地将为控制器的 VCC 提供电力。应该多加注意以确保输入电压永远不会超出控制器的较大额定值 VCC。控制电路会驱动一个 N 通道MOSFET，因为该控制器具有与 FET 源相同的接地参考电压。另外，开关电流在 FET 电源线内可以被检测到，从而轻松实施电流模式控制。

与正输入降压拓扑不同，输出电压并不像控制电路那样共享同一个接地，这样反馈电路就稍显复杂了一些，并且要求一个电平变换电路。为了保持输出电压的稳定，TLV431 将电流吸至其负极，从而迫使电流流入 R10。这样便可提供输出稳压所需但需变换至控制器接地参考电压的反馈电压。

图 3

升压拓扑

升压转换器可以被看作是降压转换器的相反面，其升高而非降低输入电压的输出电压。图 4 所示简化电路表明了正输入升压与负输入升压之间的一些相似性。

图 4

两者之间的功能形成互补，特别是通过电感及二极管的输入和输出之间的 DC 路径。输入到输出的“非开关”路径为电流始终流至输出提供了一条路径。这样，在转换器开始转换以前，输出电压保持极为接近于输入电压。这就使升压控制器能够被输出电压偏置，所图 5 所示。

控制器必须要有一个略低于较小输入电压的开启电压阈值，同时还必须能够承受得住经过升压的输出电压。正输入升压的 N 通道电源开关变为负输入升压中的一个 P 通道 FET。可以使用一个 N 通道 FET，但是它会要求一个电平变换驱动器（例如：栅极驱动变压器），从而增加成本和复杂程度。

图 5 使用了 TPS40200 控制器，其可直接驱动 P 通道 FET。控制器直接检测输出电压，因此反馈较为简单。由于控制器以输出接地作为参考，接地电平变换电路并非是必需的。连接控制器的另一种方法是将其偏置于输入电压而非输出。这要求一个与降压转换器中所用的相似的电平变换反馈。

图 5

降压—升压拓扑

反相降压—升压电路提供了一个与输入电压极性相反的输出电压。大多数反相降压—升压转换都会从正输入端获得一个负输出电压。图 6 显示了如何从一个负输入端获得一个正输出。与大多数负输入拓扑一样，这种控制电路的接地和 FET 驱动结构并不总是那么简单明了。

图 6

图 7 显示的是一种实用的有效实施。该控制器布局与负输入降压转换器相类似。图 7 所示电平变换电路必须能够在一个较大（相对于降压）电位上转换反馈。Q1 必须具有一个集电极－发射极电压额定值，其值约等于输入电压加输出电压。在一些诸如要求更多正电压的负输入远距离通信应用中，这种电路非常有用。

图 7

SEPIC 及其他拓扑

无论输入大于还是小于输出，SEPIC转换器都可提供稳定的输出。它同时结合了降压和升压的功能。然而，较多的电容和电感以及更为复杂的控制特性，恰恰让 SEPIC 成为较难了解的拓扑之一。

图 8 显示了传统 SEPIC 和负输入 SEPIC 的简化示意图。电源开关被开启的部分开关周期内，输入电感中电流呈斜坡上升。两个电感之间的 AC 耦合电容器保持一个始终与输入电压 (VIN) 相等的电压。

FET 开启后，电容的极性反向偏置输出二极管，从而阻止能量向输出端传输。另外，在此期间，电流在 AC 耦合电容和输出电感之间循环。在电源开关关闭的部分开关周期内，输入电感的极性倒转，从而驱使电流通过 AC 耦合电容和二极管流入输出电容和负载。

图 8

图 9 显示了负输入 SEPIC 的一种有效实施。与升压电路一样，该电路一般使用一个 P 通道 FET，因此诸如带有 P 通道驱动器的 TPS40200 控制器是一种不错的选择。反馈要求电平变换，其可以由用于负输入降压转换器的相同电路来实现。P 通道控制器通常为电压模式控制，这会使控制环路变得稍微复杂一些。

图 9

将拓扑映射到负输入电压领域中的这些技术适用于所有拓扑。另外两种拓扑分别是 Cuk 和 ZETA 转换器。ZETA 转换器所实现的功能与 SEPIC 相同，而 Cuk 则可以被用于代替反相降压升压拓扑。利用负输入，ZETA 可使用一个电流模式控制的 N 通道 FET，相比负输入 SEPIC 它可能是更为适合的选择。但是，相比反相降压升压拓扑，Cuk 的组件更多、体积更大并且成本更高。

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