反極性Buck-Boost電路的工作過程

在非隔離電源方案中，基礎(chǔ)拓?fù)涞腂uck、Boost、Buck-Boost電路中，前兩種已經(jīng)在前面章節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)描述。很多工程師對(duì)Buck和Boost電路都特別熟悉，只是對(duì)Buck-Boost不熟悉，這是因?yàn)楝F(xiàn)在電路設(shè)計(jì)中，以數(shù)字電路為主，不論是升壓還是降壓，一般都是以正壓為主。而Buck-Boost雖然這個(gè)拓?fù)淇梢越祲阂部梢陨龎海钱a(chǎn)生的是一個(gè)負(fù)壓，例如：輸入電壓為12V，輸出電壓為-5V。

因?yàn)槲覀儼训谌N可以生成負(fù)壓的基本拓?fù)浞Q為Buck-Boost，同時(shí)日常工作中，我們還會(huì)把其他可以實(shí)現(xiàn)升降壓的電路稱為Buck-Boost，例如Buck電路和Boost電路級(jí)聯(lián)在一起實(shí)現(xiàn)可以升降壓的電路也稱為Buck-Boost，所以經(jīng)常給大家造成困擾。有些書籍會(huì)把這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為“反極性Buck-Boost”，也有的書籍把這個(gè)基本電路稱為反激“Fly-Back”(容易與隔離的反激電路混淆)，為了避免混淆，本書把第三種基本拓?fù)潆娐芬卜Q為“反極性Buck-Boost”。

1.1 反極性Buck-Boost電路的工作過程

反極性Buck-Boost主要應(yīng)用在OLED驅(qū)動(dòng)、音頻等領(lǐng)域，與Buck、Boost一樣，反極性Buck-Boost也是由基本的開關(guān)、二極管和電感組成，如圖7.1所示。

降壓-升壓(Buck-Boost)轉(zhuǎn)換器將輸入電壓Vin的正直流電壓轉(zhuǎn)換為輸出端的負(fù)直流電壓Vout。當(dāng)功率管Q1閉合導(dǎo)通時(shí)，電流的流向如圖7.2所示。

此時(shí)，輸入電壓Vin，電感L直接接到電源兩端。輸入電壓對(duì)電感直接進(jìn)行充電，電感電流逐漸上升。導(dǎo)通瞬態(tài)時(shí)di/dt很大，故此過程中主要由輸入電容Cin供電。此時(shí)Q1相當(dāng)于短路，電感L兩端的電壓為Vin。輸出端，Cout依靠自身的放電為RL提供能量。由于Q1是導(dǎo)通的，所以二極管D1的兩端電壓分別是Vin和Vout，由于Vout是負(fù)值，Vin是正值，所以D1是反向截止的，等同于斷開。

當(dāng)功率管Q1關(guān)斷時(shí)，電流的流向見圖7.3。輸入端Vin給輸入電容充電。輸出端Vout，由于電感的電流不能突變，電感通過續(xù)流管D1給輸出電容Cout及負(fù)載RL供電。由于電感的電流流向不變，電感即給電容充電，同時(shí)也為負(fù)載RL供電，電流的流向?yàn)椋贺?fù)載電阻→肖特基二極管→L1上端。RL的下端是GND，也就是電壓為0V，RL的電流方向?yàn)閺南峦?，根?jù)電流的流向RL的上端電壓Vout比其下端更低，是一個(gè)負(fù)值。

根據(jù)上面公式就可以看出：當(dāng)占空比小于50%時(shí)，輸出為降壓;當(dāng)占空比大于50%時(shí)，輸出為升壓。

隨著電子技術(shù)的提高，以及電子產(chǎn)品的發(fā)展，一些系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)需要負(fù)電壓為其供電。例如，在大功率變頻器，會(huì)使用負(fù)電壓為IGBT提供關(guān)斷負(fù)電壓;另外，在系統(tǒng)的運(yùn)算放大器中，也會(huì)使用正負(fù)對(duì)稱的偏置電壓為其供電。如何產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定可靠的負(fù)電壓已成為設(shè)計(jì)人員面臨的關(guān)鍵問題。

負(fù)電壓設(shè)計(jì)根據(jù)不同的負(fù)載電流有很多不同方案，以下是給出幾種目前市面比較常見的負(fù)壓方，可以根據(jù)不同用于場(chǎng)合使用合適的方案。

一、工頻變壓器輸出正負(fù)電壓

各位看到圖1的電路是否有很強(qiáng)的親切感，是否能想起大學(xué)時(shí)接觸電子設(shè)計(jì)時(shí)的情景?此經(jīng)典電路優(yōu)點(diǎn)比較明顯，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、極低干擾噪聲、穩(wěn)定性好;同時(shí)此電路也有缺點(diǎn)，輸入交流電范圍窄(一般是220VAC±5%)，體積重量大;雖然此電路缺點(diǎn)明顯目前還有一些應(yīng)用采用此方案設(shè)計(jì)。此方案主要是利用變壓器產(chǎn)生負(fù)電壓在通過線性穩(wěn)壓器7905進(jìn)行穩(wěn)壓。

二、電源模塊輸出負(fù)電壓

由于電子元件制造工藝技術(shù)越來越好，能量損耗越來越低，這樣一來越來越有利于電源的模塊化發(fā)展。而且在設(shè)計(jì)上也能做到小型化，輕型化設(shè)計(jì)。

1、非隔離負(fù)壓輸出負(fù)電壓

如圖3所示，此電源模塊應(yīng)用與常用的LM7805類似，而且不需要安裝散熱片。如上圖，我們需要正負(fù)電壓給運(yùn)放等供電時(shí)，只需要兩個(gè)ZY78xxS-500電源即可實(shí)現(xiàn)。

2、隔離電源模塊輸出正負(fù)電壓

在電力、工業(yè)、通訊等對(duì)抗干擾性能要求較高的場(chǎng)合，一般需要對(duì)電源進(jìn)行隔離處理來隔離從總電源端的干擾。此種應(yīng)用時(shí)如果需要用到負(fù)電壓，可以直接采用隔離電源模塊直接輸出正負(fù)電壓給系統(tǒng)供電。

三、Buck-Boost拓?fù)湓O(shè)計(jì)輸出負(fù)電壓

除了采用隔離模塊方案，我們還可以選擇芯片自己設(shè)計(jì)負(fù)壓電路，此處我們介紹一下較容易設(shè)計(jì)的非隔離負(fù)壓輸出Buck-Boost電路。如圖6此電路只需要主控芯片、電感、電容等芯片，目前MPS的DC-DC電源芯片都支持Buck-Boost的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同輸出電流選擇合適型號(hào)。

拓?fù)渲锌梢钥闯鲚斎腚妷号c輸出電壓極性是相反的，因此Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又簡(jiǎn)稱為倒相拓?fù)?。圖7是采用MP2359DT設(shè)計(jì)的-15V電源電路，MP2359DT是采用SOT23-6的封裝，整個(gè)電路占用PCB面積較小。

負(fù)電壓設(shè)計(jì)方案多種多樣，哪一個(gè)方案適合你的設(shè)計(jì)，還是需要綜合考慮不同應(yīng)用、不同技術(shù)要求而定。