BUCK變換器在負壓輸出系統(tǒng)中的應用

1、前言

在常見的電源中，經(jīng)常使用的電壓多為正電壓，正電壓也很容易理解，以大地為參考地，即為0V 電壓，比0V電壓高的電壓都是正電壓，如圖1所示。由圖1和圖2 可以看出，這是一個很常見的降壓電路，輸入和輸出都為正電壓。

(a) 正輸入正輸出電路

(b) 工作波形

圖1：正輸入正輸出電壓的電路及波形

但是在筆記本電源和通信電源中，越來越多的開始用負電壓來作為參考電壓或偏置電壓。如圖2是市面售賣的ATX電源，共五路輸出電壓，其中四路正壓輸出，一路負壓輸出。負壓輸出-12V/0.5A，輸出功率為6W。那么如果做到負壓輸出呢？通常需要把內(nèi)部的正電壓轉(zhuǎn)為負電壓再輸出。比如圖3的+12V電壓，一路直接作為ATX電源的輸出，另一路通過電路變換成-12V的負電壓再輸出。

圖2：帶負電壓輸出的ATX 電源

2、負電壓實現(xiàn)的方法

基于客戶需求，總結(jié)歸納出實現(xiàn)正電壓輸入負電壓輸出的方法有三種: 方法一是負壓芯片的方法；方法二是使用Buck-Boost電路的方法；方法三是使用BUCK直接生成負壓。

方法一: 負壓芯片實現(xiàn)

在電子市場或電子網(wǎng)站上，可以很容易找到使用charge pump方式的負電壓芯片，但是輸入的電壓最高只有5.5V左右, 帶載能力只有幾十毫安，比如TI TPS6040X series。此種負壓芯片輸出功率太小，不能滿足電腦和服務器電源的應用需求。

方法二: Buck-Boost電路方法

如圖3的 Buck-Boost方法實現(xiàn)生成負壓的變換，當主開關Q 開通時，由于D反向，Vin 流過Q的電流只可以給電感L充電，如圖4(a)中 A 的描述路徑；當Q截止時，根據(jù)楞次定律，電流的方向變?yōu)閳D4中 B的描述路徑，由圖4(a)可以看出，Vo輸出為負電壓。

使用Buck-Boost負電壓輸出的方法如圖4(b)所示。從圖中明顯可以看出，此種方法需要額外增加一個運算放大器A2，因為芯片的參考地還是最終和輸入的參考地連接在一起的，由于輸出是負電壓，需要對反饋信號做反向，然后送到FB，這種方法會增加額外成本，所以用Buck-Boost電路來實現(xiàn)負壓也不是太理想。

(a) Buck-Boost負電壓電路工作原理

(b) 額外增加運算放大器

圖3：Buck-Boost負電壓電路

方法三：用Buck芯片產(chǎn)生出負壓

用AOS通用的一款Non-synchronous Buck AOZ1284PI實現(xiàn)正輸入負輸出的電壓變換，此芯片為高壓BUCK芯片，最高輸入電壓達到36V，帶載能力達到4A。完全可以滿足ATX電源系統(tǒng)的功率要求。

(a) 用BUCK芯片實現(xiàn)負電壓的原理圖

(b) BUCK芯片實現(xiàn)負壓輸出的工作原理

圖4： BUCK芯片實現(xiàn)負壓輸出

由圖4可以看出，此種方法沒有增加額外零件就可以實現(xiàn)正電壓輸入負電壓輸出，連接方式可以簡化為如圖4(b) 所示。

圖4原理圖的公式推導如下，假設二極管開關的正向?qū)▔航禐閂d，MOS開關管為Vsw。主開關開通和關斷期間，電感上的電壓可列出如下式子：

Von=Vin-Vsw

Voff=Vo+Vd

根據(jù)伏秒法：Von*ton=Voff*toff，則可以得出：

toff/ton=-(Vin-Vsw)/(Vo+Vd)

可以得到占空比方程為：

D=ton/(ton+toff)=ton/T

=(Vo+Vd)/(Vo+Vd-Vin+Vsw)

若MOS開關管和二極管的壓降遠小于輸入輸出電壓，上面占空比的公式可以簡化為：

D=Vo/(Vo-Vin)

所以，輸入和輸出的電壓關系可以表示為：

Vo=-Vin*D/(1-D)

從上面的公式中可以看出，輸出電壓的絕對值可以大于或者小于輸入電壓；由于在Q導通期間，輸入沒有向輸出提供能量，此時主要為輸出大電容提供能量維持給負載，只有在Q關斷時，由電感提供能量給負載且給輸出電容充電，所以，此種負輸出線路的輸出紋波比普通的正輸出降壓線路紋波要大。

此應用中，電感的選擇也非常的重要，下面介紹此應用中的電感公式推理。假定應用的開關頻率是f，開關周期為T，導通時間為：

ton=D*T

假定r為紋波因數(shù)，r=0.4，r為電感電流的紋波（最大值和最小值之差）和電感電流的平均值IDC的比值，電感的感量為：

L=Vin*ton/IDC*r

其中電感的平均電流IDC為：

IDC=Io/(1-D)

另外從圖4可以看出，二極管續(xù)流期間，主開關管承受的壓降是：

VQ=Vin+Vd-(-Vo)=Vin+Vd+Vo

由此可以看出，用BUCK芯片實現(xiàn)負壓輸出的電路最高輸入電壓不能達到芯片的標稱值，而是由輸出電壓來決定的。以AOZ1284PI為例，忽略二極管壓降，假設輸出為-12V，最高輸入電壓只能為24V，不再是芯片標稱的36V。

由以上的公式推理可以看出，雖然使用的是BUCK芯片，但是因為連接方式的不同，本質(zhì)上已經(jīng)變換成Buck-Boost電路。所以不能用設計BUCK電路的思路來設計此負電壓輸出電路。

3、應用舉例

用AOZ1284PI Non-synchronous BUCK降壓芯片實現(xiàn)正輸入負輸出，以+12Vin 輸入，-12Vout輸出，帶載2A應用需求為例。

先用SMPLIS仿真軟件(參考線路如圖8)來模擬是否可以用Non-synchronous BUCK在不需要額外增加零件的情況下得到正輸入負輸出的電壓，把電感的輸出連接到輸入的地上，原來芯片的參考地（正輸出的地）作為輸出，即為負輸出，調(diào)整芯片外圍參數(shù)如參考線路。

(a) AOZ1284PI實現(xiàn)負壓的電路圖

(b) 仿真波形

圖5：BUCK芯片實現(xiàn)負電壓輸出的電路及仿真波形

從圖5的仿真結(jié)果可以看出，用BUCK芯片搭建的電路是可以實現(xiàn)想要的正電壓輸入負電壓輸出的。

制定評估板，如圖6所示，測試驗證，測試驗證波形如圖7所示。

圖6：基于AOZ1284PI負壓輸出電路PCB

由圖7(a) 可以看出，此驗證線路帶載2A 開機正常。由圖7(b) 可以看出，此驗證線路帶載2A關機正常。圖7(c) 為用AOZ1284PI搭建負壓電路的實際測試的工作波形。因此，可以得出，使用Non-synchronous BUCK是可以實現(xiàn)正電壓輸入負電壓輸出和較好的帶載能力的，且只使用BUCK原有的零件，沒有增加額外成本。

(a) 開機波形

(b) 關機波形

(c) 穩(wěn)態(tài)工作波形

圖7：基于AOZ1284PI負壓輸出電路的測試波形

來進一步分析實際測試波形。由圖7的波形可以發(fā)現(xiàn)，電感電流的平均值IDC比實際的Io大很多，這是與正輸入正輸出的BUCK降壓不同的地方。

D=Vo/(Vo-Vin)=-12/（-12-12）=50%

IDC=Io/(1-D)=2.16/(1-0.5)=4.32A

由計算結(jié)果和實際量測的波形數(shù)據(jù)比對來看，結(jié)果相一致。所以在實際應用中，需要注意電感電流的IPK值是否已經(jīng)超過選用芯片的過流保護點及電感的額定電流值，因為實際帶載的電流Io比電感電流的IDC小很多，比電感的IPK小更多，所以，選擇一個合適的電感也是這個正輸入負輸出應用成功的關鍵之一。

通過上述電感量和額定電流公式計算得出此12V輸入轉(zhuǎn)-12輸出，帶載2A的應用為例的電感量可選擇39uH，額定電流最少5.2A(或與之相近的電感)。

4、結(jié)論

由于現(xiàn)有負壓芯片的輸出功率都比較低，不能夠滿足大功率的需求，在不增加額外成本的前提下，使用Non-synchronous BUCK轉(zhuǎn)換出負電壓的應用具有較好的帶載能力，且比普通負壓芯片更加靈活，應用范圍更加廣泛。

參考文獻

[1] 劉松. 汽車電子系統(tǒng)中負壓變換器的設計. 電子設計應用,2009,04

[2] Zach Zhang. How to generate negative output. Alpha and Omega Semiconductor, Inc. Application Note PIC-002