在电子电路的设计中经常都需要使用负输出电压，业界有很多方法可以将正输入电压产生负输出电压，其中一个简单又经济的方法便是采用极性反向（降压/升压）转换器。这种拓朴的优点在于所需组件少，并且可架构在标准的高端稳压器集成电路，例如降压稳压器等。本文将讨论这种拓朴方法的技术细节及相关设计重点，包括输入和输出电压涟波、回路的稳定性需求，并透过一个电路实例加以说明。

极性反向（降压/升压）拓朴

正如同降压拓朴和升压拓朴，极性反向降压/升压转换器是一种最基本的功率转换拓朴，上述的三种基本拓朴都是由一个主动开关（通常是MOSFET）、一个被动开关（二极管）以及一个电感器所共同组成。图一分别表示出该三种基本的电压转换拓朴。极性反向拓朴的其中一个最大优点就是简单，只需使用最少量的电源级组件，这不只有助于降低成本，而且还可降低开发拓朴的复杂度。极性反向拓朴将输入电压的极性反转，并允许转换出来的输出电压绝对值高于或低于输入电压绝对值。这种拓朴方法除了可以为系统提供负电压外，还可不受制于系统接地参考的极性而为负载供电，而且输入电压更可高于或低于输出电压。这种应用的最佳实例是驱动LED灯串，当中需要从9V至30V的供电电压产生一个总降压为16V的输出电压给LED。在这个范例中，只需将LED灯串的阳极和阴极连接交换，便可使灯串接受负16V的电压。这个极性反向拓朴可以轻易地将正9V或30V的输入电压供电转换成为负16V的输出电压。

《图一 三种最基本的开关式电源供给拓朴》

与降压及升压拓朴比较，反向拓朴拥有一个主要的能源储存组件，这便是连接在开关节点与接地之间的电感器。在降压拓朴中，电感器会连接到输出节点，而在升压拓朴中，电感器则连接到输入节点。电感器的主要工作是防止电流突然改变，因此电感器能够将某些节点上的噪声消除。基于这个特性，我们不难发现，降压拓朴虽然拥有一个非常安静（不含噪声）的输出电压，但出现在输入端的噪声仍然很大。相反地，升压拓朴的输入端非常安静（不含噪声），但在输出端却出现很大的噪声。因为电感器的连接位置，极性反向拓朴无论在输入及输出端都存在噪声，因此需要使用良好的电容性滤波器过滤带有噪声的节点，以便降低涟波电压。因此，在使用极性反向拓朴时，需要同时在输入节点和输出节点加入低ESR旁路电容器以降低电压涟波和噪声。

与其他极性反向拓朴的比较

除了极性反向（降压/升压）拓朴外，市面上还有其他的拓朴方法可以将正输入电压转换产生负输出电压，当中最常见的是反驰式（flyback）拓朴和CUK拓朴。但反驰式拓朴的缺点是需要使用变压器，从设计的角度来看，寻找适合反驰式拓朴的变压器比起寻找适合极性反向（降压/升压）拓朴的电感器困难的多。此外，变压器的成本通常也比较昂贵。至于反驰式拓朴解决方案的优点是可以透过选用不同的圈数比率来达到直流电流隔离及非常宽广的输入电压范围。

因为采用两个电感器，分别连接到输入和输出节点，CUK拓朴是一种非常安静的拓朴技术。这种安排让输入及输出的电容性滤波变得非常简单。可是，CUK拓扑的最大缺点是需要使用负参考电压，这间接限制了功率转换器集成电路的选择，或需要额外增加一个外部负参考电路作为补偿。

设计极性反向（降压/升压）电路的重要指引

当设计一个极性反向（降压/升压）稳压器时，不能随便选择降压控制器或稳压器，而是必须按照反向拓朴中的电压要求来决定。这种拓朴中的开关节点所需要承受的电压为最大输入电压与输出电压绝对值之总和。举例而言，当设计的输入电压为25V而输出电压为负16V时，开关节点所承受的电压将为41V，而大部份功率转换器的开关节点都是为降压调节而设计，其开关节点的电压设定与最高输入电压相同。

此外，选择具备合适电流比率的稳压器集成电路也不如想象般简单。一个最高输出电流为3A的降压稳压器，当使用在极性反向拓朴时，无论在任何的输入及输出电压条件下均不能提供3A的电流。图二所示为设定输出电压为负5V时，在各种不同输入电压的情况下，可能产生的最大输出电流。在此设计中使用一个降压拓朴用的典型稳压器集成电路，其输出电流额定为3A。

《图二 负5V极性反向拓朴中的最高输出电流与输入电压之关系，设计采用典型的3A降压稳压器集成电路》

回路稳定性的考虑

极性反向（降压/升压）拓朴的转移函数（transfer function）包含有一个 right half plane zero，这与升压拓朴类似，当中能量必需经过两个步骤才能从输入转移到输出。首先，当电源开关处于导通时，电感器会进行充电并将能量储存起来，等到开关关闭时再将能量释放到输出端。但是降压转换器并没有right half plane zero，因此当电源开关导通时，能量会直接从输入转移到输出。为了获得一定的回路稳定性，就必须考虑right half plane zero所带来的影响。在实际的应用中，假如设计所采用的稳压器集成电路是原本用在降压拓朴的，便可能需要进行内部回路补偿，也就是必须加入补偿电容器来产生一个稳定的控制回路。

极性反向设计实例

图三中的范例电路为稳压器集成电路之极性反向电路范例。当极性反向拓朴采用一个降压稳压器时，稳压器集成电路的接地会依附系统的输出电压，而电感器则被连接到系统的接地电压。这种设计可以有效地从一个介于5.5V到35V的输入电压产生一个负5V的输出电压。

《图三 极性反向（降压/升压）电路范例》

多用途的解决方案

诚如文章一开始就提到，很多电子设计都需要使用到负电压，而一个既简单又经济产生负电压的方法是极性反向（降压/升压）拓朴，这种拓朴的最大优点是外部组件用量少，因此成本比较低，而且由于采用的功率级组件较少，再加上很多的降压稳压器和控制器电路都很适合实行极性反向（降压/升压）拓朴，因而使得功率转换的效率提高。

---作者为NS美国国家半导体应用工程师---