?uk轉(zhuǎn)換器和反相電荷泵轉(zhuǎn)換器兩者的優(yōu)勢和權(quán)衡

?uk轉(zhuǎn)換器（也稱為兩個電感器反相轉(zhuǎn)換器），反相電荷泵和單電感器反相轉(zhuǎn)換器（也稱為反相降壓 - 升壓）都可以從正輸入電壓提供負(fù)輸出電壓。然而，工程師經(jīng)常在不知不覺中用錯誤的名稱來引用這些拓?fù)?，給已經(jīng)有點混亂的區(qū)域增加了混亂。每個拓?fù)渥鍪裁?？為什么選擇一種拓?fù)涠皇橇硪环N？原因各不相同，有些比其他更明顯。以下討論強調(diào)了反相電源架構(gòu)之間的差異，重點在于直觀思考，而不是深入的電源設(shè)計和開關(guān)理論。目的是展示Cuk和反相電荷泵的優(yōu)勢和權(quán)衡，然后簡要討論反相拓?fù)?，以便在選擇最適合您應(yīng)用的負(fù)輸出電路拓?fù)鋾r做出更明智的選擇。

?uk拓?fù)?/p>

?uk拓?fù)渫ǔ？梢詮囊蔡峁┥龎海琒EPIC或反激拓?fù)涞脑O(shè)備獲得。高電壓，低靜態(tài)電流LT8331是可配置為?uk轉(zhuǎn)換器的器件示例。它具有4.5V至100V的寬輸入電壓范圍，包括一個140V，0.5A電源開關(guān)。其6μA靜態(tài)電流，可編程欠壓鎖定，100kHz至500kHz開關(guān)頻率和低輸出紋波使其成為高電壓，低待機電流，負(fù)輸出電壓需求的理想選擇。

它需要兩個電感器（這些可以耦合或非耦合，通常在值上匹配）和輸入和輸出之間的耦合電容（C5）。耦合或阻塞電容器從電路的輸入側(cè)接收能量并將其傳送到電路的輸出側(cè)。在穩(wěn)態(tài)條件下（即上電后），該電容兩端的電壓恒定，大約等于V IN 。

反相電荷泵電路< /跨度>

?uk轉(zhuǎn)換器電路的變形是反相電荷泵電路，其中電感器L2由下面所示的肖特基二極管D3代替。 LT3581是一款多功能開關(guān)穩(wěn)壓器，具有3.3A / 42V電源開關(guān)。它具有內(nèi)置故障保護(hù)功能，有助于防止輸出短路，輸入/輸出過壓和過熱情況。此外，它還包括一個獨特的主/從開關(guān)，通過堆疊電荷泵電路可以輕松構(gòu)建高壓正或負(fù)電壓。

?uk與反相電荷泵

在圖3和圖4中，?uk轉(zhuǎn)換器和反相電荷泵轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并排顯示以供比較。

請注意，這兩個電路看起來非常相似;除了Cuk的第二個電感器已經(jīng)被肖特基二極管取代。另外，請注意它們都有一個低端N溝道MOSFET（或NPN晶體管）電源開關(guān)。低端開關(guān)還用于升壓，SEPIC和反激拓?fù)?，因此這些器件非常通用。開關(guān)節(jié)點始終施加正電壓。在Cuk設(shè)計中，反饋引腳可能會或可能不會看到負(fù)電壓（某些器件不允許IC上任何位置的負(fù)電壓，某些器件具有接受正電壓和負(fù)電壓的雙模反饋引腳）。雖然外觀相似，但兩個電路的操作卻截然不同。

?uk轉(zhuǎn)換器更詳細(xì)

當(dāng)V OUT 的幅度大于或小于V IN 時，可以使用Cuk。對于Cuk，簡化的占空比（假設(shè)無損二極管和開關(guān)）由下式給出：

占空比（D）= V OUT /（V OUT - V IN ）

當(dāng)V OUT 變得更負(fù)時，占空比接近100％并且作為V OUT 接近零，占空比接近0％。 | V OUT |時，占空比為50％等于V IN 。

圖5a顯示電源開關(guān)閉合時的?uk電流，圖5b顯示電源開關(guān)打開時的?uk電流。

從輸入電源流出的電流是連續(xù)的（換句話說，當(dāng)電源開關(guān)閉合或打開時，電流從輸入流出）。當(dāng)開關(guān)閉合時，兩個電感器都有增加的電流（電流正在上升，但由于L2中的電流為負(fù)，因此兩個電流斜坡沿相反方向移動）。當(dāng)開關(guān)打開時，兩個電感器中的電流都會減小。在圖6中，我們看到平均輸入電流只是平均電感電流（（I LAVG = Ipk + I LMIN ）/ 2）。

注意由電感和輸入/輸出電容形成的電路輸入和輸出端的LC濾波器。連續(xù)電流與LC濾波器相結(jié)合可產(chǎn)生更平滑的輸入和輸出電流，從而提供低輸出電壓紋波噪聲。

請記住，電感的最佳紋波電流應(yīng)約為40％。輸出電流。對于大多數(shù)DC / DC轉(zhuǎn)換器來說，這是一個很好的經(jīng)驗法則，它代表了小電感器尺寸和低開關(guān)損耗之間的折衷。

對于?uk，此電壓始終為正。人們不能簡單地采用?uk轉(zhuǎn)換器并將其配置為單個電感逆變器以減少電路元件。另外，必須注意確保?uk電源開關(guān)能夠處理電壓V IN + | V OUT |出現(xiàn)在隔直電容的上游側(cè)。

更多細(xì)節(jié)中的反相電荷泵電路

反相電荷泵與步進(jìn)電壓密切相關(guān) - 上變頻器，因為它結(jié)合了基于電感的升壓調(diào)節(jié)器和反相電荷泵。請注意，在圖5a的電路中，圖中最左邊部分的電路和電流與升壓轉(zhuǎn)換器相同。在這個電路中，我們添加了二極管和電容，以獲得反相電荷泵轉(zhuǎn)換器。與?uk一樣，反相電荷泵具有連續(xù)的輸入電流，但與?uk不同，它具有不連續(xù)的輸出電流。對于給定的輸出電流，此配置通?？商峁┏叽?，效率和輸出紋波的最佳組合。只有當(dāng)V OUT 的條件大于V IN 時，才能使用反相電荷泵拓?fù)?。對于V OUT 的幅度小于或等于V IN 的情況，請使用不同的拓?fù)?，例?uk，反相轉(zhuǎn)換器或反相反激。

雖然它使用電荷泵，但由于電感是主要的儲能元件而不是快速電容，因此可以獲得相當(dāng)高的負(fù)載電流。下圖7顯示LT3581用作反相電荷泵（上電路）和升壓轉(zhuǎn)換器。

LT3581具有主/從開關(guān)，而不是單個電源開關(guān)，以及引腳之間的肖特基二極管SW1和SW2用于隔離開關(guān)，因此通過耦合電容C1（當(dāng)電源開關(guān)導(dǎo)通時產(chǎn)生）的電流尖峰僅流過從開關(guān)而不是主開關(guān)（電流比較器所在的位置），從而防止內(nèi)部電流來自錯誤跳閘的比較器。當(dāng)電源開關(guān)關(guān)閉時，開關(guān)節(jié)點的電壓回到V IN + | V OUT |因為能量被傳遞到輸出電容器和負(fù)載。輸出斷開固有地構(gòu)建在這種單電感器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。

對于反相電荷泵，簡化的占空比由下式給出：

占空比（D）= 1 - （V < sub> IN / | V OUT |）

由于| V OUT |總是大于V IN ，占空比在相等時接近0％，隨著V OUT 變得更負(fù)而增加。

在下面的反相電荷泵配置中，在LT3483 / LT3483A的負(fù)輸出和D引腳之間添加一個與肖特基二極管串聯(lián)的電阻。該電阻的目的是在開關(guān)導(dǎo)通時平滑/減少電容器C2中的電流尖峰。 10Ω電阻在此應(yīng)用中運行良好（Li +電池至-22V @ 8mA），對轉(zhuǎn)換器效率的影響小于3％。應(yīng)用電路中推薦的電阻值也限制了輸出短路條件下的開關(guān)電流。

反相拓?fù)?/p>

反相拓?fù)涫褂脝蝹€電感器，不需要耦合電容;因此它需要更少的組件，如下所示。單電感器反相拓?fù)涞囊粋€示例如下圖9所示，使用帶外部電源開關(guān)的LTC3863反相控制器。 LTC3863具有3.5V至60V的輸入電壓范圍，低至70μA的靜態(tài)電流，并允許輸出電壓低于-150V。由于電源開關(guān)必須看到負(fù)電壓，因此反相拓?fù)涞耐ㄓ眯暂^差，因為它只能用于負(fù)電壓。與具有類似輸出電流的Cuk轉(zhuǎn)換器相比，它還具有更高的峰值電流和輸出紋波。對于LTC3863，外部電源開關(guān)允許用戶為所需的峰值電流和輸出電壓選擇最佳MOSFET。

反相拓?fù)涞恼伎毡扰c其相同。 Cuk轉(zhuǎn)換器，即

占空比（D）= V OUT /（V OUT - V IN ）

同樣，在相同的輸出電壓，輸入電壓和開關(guān)頻率下，電路具有相同的占空比和相同的電感電流斜率（即紋波電流，等于V IN * t <子> ON / L）。讓我們看看每個拓?fù)涞拈_關(guān)周期中的電流。

圖10a和10b顯示電源開關(guān)閉合和打開時的電流。

對于反相轉(zhuǎn)換器，僅當(dāng)開關(guān)閉合時，電流才從輸入電源流出。這導(dǎo)致脈沖輸入電流而不是連續(xù)電流。

與?uk不同，反相電路的平均輸入和峰值電流是占空比的函數(shù)。占空比為50％時，平均輸入電流大約是?uk的兩倍（假設(shè)沒有其他電路損耗）。由于我們正在處理功率傳輸，當(dāng)輸出電壓變得更負(fù)或輸入電壓降低時，峰值電感電流增加，增加輸出紋波噪聲;類似地，隨著輸入電壓增加或輸出電壓接近0V，峰值電感器電流減小。在這兩種情況下，電感電流可以是連續(xù)的，輸入電流可以接近是連續(xù)的，但它永遠(yuǎn)不會是連續(xù)的。因此，對于給定的輸出電流，?uk轉(zhuǎn)換器具有較低的峰值輸入電流（和兩個電感器電流相似的輸出電流）和較低的輸出電壓紋波噪聲，而不是反相轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

拓?fù)渲g的另一個區(qū)別是交換節(jié)點的電壓。對于反相轉(zhuǎn)換器，在開關(guān)周期的第二階段期間該電壓為負(fù)。因此，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不容易從一個轉(zhuǎn)換為另一個。

總結(jié)

?uk，反相電荷泵和反相拓?fù)涮峁┴?fù)輸出，但每種配置都有細(xì)微差別，可在設(shè)計負(fù)電源時提供優(yōu)勢。除了這些電路之外，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出以地為參考，而反激轉(zhuǎn)換器也能夠提供負(fù)輸出電壓。遺憾的是，許多數(shù)據(jù)表和在線搜索參數(shù)表都沒有區(qū)分獨特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而是將它們整合為“反相轉(zhuǎn)換器”。無論如何掌握有關(guān)差異的知識，您現(xiàn)在可以在選擇IC作為系統(tǒng)電源時做出更明智的選擇。