我們花了十多次的篇幅，說(shuō)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(shè)計(jì)，也帶大家使用 TI 的零件選擇工具和在線仿真工具來(lái)設(shè)計(jì)電路，這一回我們要簡(jiǎn)單聊一下用來(lái)反轉(zhuǎn)電壓的 inverting converter。

反轉(zhuǎn)世界

Invertering converter 是交換式電源中相當(dāng)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(duì)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(lái)說(shuō)，它仍然比較常用來(lái)產(chǎn)生與輸入電壓極性相反的電壓。

所謂極性相反，其實(shí)就是針對(duì)同一個(gè)參考地電位，如果輸入電壓是正的，輸出電壓就是負(fù)的。

那什么時(shí)候會(huì)用到負(fù)的電壓呢？

在很早很早的年代，有一些 DRAM 芯片會(huì)需要好幾組不同的電源電壓，其中有一組就是負(fù)的電壓。比方說(shuō) Apple II 計(jì)算機(jī)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(yīng)器上就有 -5 V 的輸出。當(dāng)然這是非常久以前的需求，隨著半導(dǎo)體制程的進(jìn)步，后來(lái)的 IC 即使有負(fù)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(fù)電壓，不需要再外接負(fù)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(zhǔn)位跟一般的邏輯 IC 很不一樣，其工作電壓是負(fù)的，因此需要負(fù)的電源供應(yīng)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(dá)到 2 ns 以下的傳遞延遲。

80 年代許多超級(jí)計(jì)算機(jī)都是使用這種叫做 ECL（emitter-coupledlogic）的晶體管邏輯 IC 設(shè)計(jì)的，但隨著半導(dǎo)體制程的進(jìn)步，CMOS 邏輯的速度越來(lái)越快，又有消耗功率低的優(yōu)勢(shì)，ECL 也越來(lái)越少看到了。

至于模擬電路，常見的雙極性放大電路也會(huì)需要負(fù)的電壓，讓輸入和輸出訊號(hào)都可以在正電壓和負(fù)電壓之間擺蕩，但由于模擬電路對(duì)電源噪聲比較敏感，一般如果是運(yùn)算放大器需要雙電源，不會(huì)用交換式電源來(lái)供應(yīng)，因?yàn)榻粨Q式電源一定會(huì)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(dāng)正電源、GND 當(dāng)負(fù)電源準(zhǔn)位來(lái)使用。

因?yàn)橐陨戏N種理由，現(xiàn)在的電路設(shè)計(jì)中會(huì)用到負(fù)電源的場(chǎng)合越來(lái)越少，所以 inverting converter 使用的機(jī)會(huì)也越來(lái)越少，所以我們將它放在這個(gè)系列的最后。

電路結(jié)構(gòu)

上圖是簡(jiǎn)化后的 inverting converter 電路。如果有看過(guò)這個(gè)系列的讀者，對(duì)這個(gè)電路一定覺得不陌生，它看起來(lái)有點(diǎn)想 buck converter，又有點(diǎn)像 boost converter。

其實(shí)不管是 buck、boost，還是 inverting converter，工作的原理都一樣：在某個(gè)周期中，先把能量?jī)?chǔ)存在電感中，在另一個(gè)周期中，將能量從電感里釋放出來(lái)，而儲(chǔ)存能量時(shí)，負(fù)載就由輸出的濾波電容器暫時(shí)供電。

我們來(lái)看看 inverting converter 怎么工作的。

在一開始的儲(chǔ)能周期中，切換開關(guān)閉合，電流由輸入流向電感，將能量?jī)?chǔ)存在電感中，而圖中的二極管則限制了對(duì)電感充電的電流，只能流向電感，不會(huì)流向輸出。

接下來(lái)，切換開關(guān)斷開。此時(shí)，電感因?yàn)橛兄覆辉试S電流有不連續(xù)變化」的特性，會(huì)讓上面的電流持續(xù)往同一個(gè)方向流動(dòng)，同時(shí)因?yàn)殡娏鞯淖兓蕰?huì)從「增加」變?yōu)椤笢p少」，根據(jù)我們之前推導(dǎo)過(guò)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(shí)，電感上的電壓方向也會(huì)反轉(zhuǎn)。

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

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

重復(fù)以上第二個(gè)、第三個(gè)狀態(tài)，就能持續(xù)不斷供應(yīng)極性已經(jīng)反轉(zhuǎn)的電源給負(fù)載。

我們之前說(shuō)過(guò)，boost 電路之所以輸出電壓一定比輸入電壓高，是因?yàn)楫?dāng)電感在放電周期時(shí)，電感上的電壓與輸入電壓串聯(lián)，但在 inverting 結(jié)構(gòu)中，電感放電時(shí)，它只透過(guò)二極管與負(fù)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(fù)無(wú)限大，至于要負(fù)多大，則一樣是由電感充放電的 duty cycle 來(lái)決定。

輸出電壓控制

推導(dǎo)的過(guò)程照例我略過(guò)，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€(gè)輸出電壓與輸入電壓的比值畫成圖，就會(huì)得到：

可以看出，這個(gè)曲線跟 boost converter 的控制曲線非常相似，因?yàn)樗鼈兌加幸豁?xiàng)（1-D）在分母，因此畫出來(lái)的曲線會(huì)是雙曲線的一部分。

和 boost converter 一樣，雖然輸出電壓「似乎」可以達(dá)到無(wú)限大或負(fù)無(wú)限大，但當(dāng) duty cycle 過(guò)了某個(gè)比值（大概是 0.9）后，電壓就會(huì)快速上升。在這個(gè)區(qū)間中，duty cycle 只要變化一點(diǎn)點(diǎn)，輸出電壓的變化就會(huì)非常大，這會(huì)造成控制電路設(shè)計(jì)上的困難，因此如同 boost converter 一樣，一般我們?cè)O(shè)計(jì) inverting converter 時(shí)，會(huì)將 duty cycle 限制在 0.8，甚至更低的比值以下。

電路實(shí)戰(zhàn)

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

那么 MC34063A 可以用來(lái)做 inverting converter 嗎？我們來(lái)看看 inverting converter 的控制曲線，它其實(shí)跟 boost converter 很類似，也是 duty cycle 越大，輸出電壓就越大，只是是「負(fù)」的越大。

因此 MC34063A 也可以拿來(lái)做 inverting converter 的設(shè)計(jì)，但特別要注意的地方是回授電壓的安排。因?yàn)楫?dāng)輸出是負(fù)電壓時(shí)，經(jīng)過(guò)回授分壓電阻而產(chǎn)生的回授電壓也會(huì)是負(fù)的，但 MC34063A 并不能接受負(fù)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(shí)我們只要把 MC34063A 的內(nèi)部比較器用來(lái)當(dāng)作參考地電位的第四腳 GND，接到輸出電壓上就好了。因?yàn)?VOUT 是整個(gè)電路中最低的電壓，電路中 GND 的電壓其實(shí)比 VOUT 還高，因此對(duì)于 MC34063 來(lái)說(shuō)，這樣接的時(shí)候 VFB 拿到的電壓會(huì)變成「負(fù)的負(fù) 1.25 V」，負(fù)負(fù)得正，MC34063A 就會(huì)「看到」 1.25 V 的回授電壓了。

上圖是 MC34063A 的 datasheet 中，關(guān)于 inverting converter 的示范電路。可以看到在 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(gè)要注意的地方是，因?yàn)橛脕?lái)設(shè)定交換頻率的振蕩器控制電容 CT 也會(huì)參考 1.25 V 的比較電壓，所以這個(gè)電容器的負(fù)極也一樣要接到第四腳，與整個(gè)控制電路共享同一個(gè)參考電位。

小結(jié)

關(guān)于交換式電源的這個(gè)系列文章，我們就說(shuō)到這里了。我們?cè)谶^(guò)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(shè)計(jì)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?cè)谶@一回簡(jiǎn)單介紹了 inverting converter，用來(lái)產(chǎn)生與輸入與電壓相反的負(fù)電壓。

審核編輯：劉清