NEST175 August 2025 LMR33630 , TPS5430
在先進駕駛輔助系統(tǒng)、聲納應(yīng)用的超聲波換能器以及通訊設(shè)備中，皆需使用低電流、負(fù)極性高電壓來偏置感測器。返馳式、Cuk 和反向降壓升壓轉(zhuǎn)換器都是可行的解決方案，但這些方案會因笨重的變壓器（返馳式和 Cuk）或受控制器輸入電壓額定值限制最大負(fù)電壓（反向降壓升壓）而受到影響。在這篇電源技巧中，我將詳細(xì)介紹一種轉(zhuǎn)換器的運作方式，該轉(zhuǎn)換器將單一電感器與工作在不連續(xù)傳導(dǎo)模式 (DCM) 的反向電荷泵配對使用。搭配接地參考的升壓控制器，能以更低的系統(tǒng)成本產(chǎn)生大負(fù)電壓輸出。
圖 1 展示簡化的功率級電路圖。需要注意的是，此電路圖與傳統(tǒng)的反向降壓升壓轉(zhuǎn)換器不同，傳統(tǒng)設(shè)計會讓控制器「浮接」在 VIN 和 ?VOUT 之間。在該轉(zhuǎn)換器中，可實現(xiàn)的最大 ?VOUT 取決於控制器的最大 VCC 減去最大輸入電壓。這將使得要找到能驅(qū)動 N 通道場效應(yīng)電晶體 (FET) 以實現(xiàn) ?100V 或更高輸出電壓的控制器幾乎不可能。
圖 1 電感驅(qū)動型反向電荷泵的簡化功率級電路電路的操作可以分為三個工作階段 (圖 2)。在第一工作階段，F(xiàn)ET 在工作週期 (d) 期間保持開啟，使 VIN 施加於電感兩端，電流從零開始線性上升並儲存能量。然而，在前一個工作週期中，C1（其兩端電壓約等於 VOUT）已耗盡其多餘儲存能量，使 D1 和 D2 處於反向偏壓狀態(tài)。因此，在此工作階段中並未顯示 D1、D2 與 C1。C2 供應(yīng)所有負(fù)載電流。
在下一工作階段 d' 期間，F(xiàn)ET 關(guān)閉，電感電流開始放電，導(dǎo)致其電壓極性反轉(zhuǎn)。這將使 VFET 節(jié)點電壓大幅升高，從而讓 C1 能夠透過 D1 進行再充電。在此工作階段期間，電流呈線性下降，直至 D1 關(guān)閉。然而，由於 D1 的反向恢復(fù)特性，電流在最終關(guān)閉前會先進入負(fù)值區(qū)域，此時電感電流斜率發(fā)生變化，其電壓極性再次反轉(zhuǎn)。
第三工作階段 d'' 是能量從 C1 轉(zhuǎn)移至 C2 的過程。當(dāng) D1 停止導(dǎo)通時，電感電壓會被箝位在 VIN，這是因為透過 FET 本體二極體的電流路徑將 VFET 節(jié)點電壓強制下拉至接地電位。電流會持續(xù)流經(jīng) D2，直到 C1 與 C2 兩端電壓達(dá)到平衡；而流經(jīng) FET 本體二極體的電流則會持續(xù)至電感電流降為零為止。此時，電感兩端電壓會驟降並與電路寄生參數(shù)產(chǎn)生共振，此現(xiàn)象將持續(xù)直至 FET 再次導(dǎo)通為止。
圖 2 DCM 運作的三個階段圖 3 詳細(xì)說明主要電壓和電流波形。DCM 的運作雖可實現(xiàn)最小電感量，但會伴隨較高的峰值電流。DCM 下的電感值取決於最大工作週期、最低 VIN 和全負(fù)載條件。務(wù)必對照控制器產(chǎn)品規(guī)格表確認(rèn)最大工作週期，但通?？蛇x擇 60%-90% 範(fàn)圍，否則可能發(fā)生脈衝跳躍現(xiàn)象。較大的電感值會使電路進入連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM)，因為電流在下次切換週期開始前將無法歸零。這將導(dǎo)致使用可能大於實際需求的電感器，且需格外注意以避免次諧波振盪。
圖 3 DCM 中的主要電路波形設(shè)計方程式
在 DCM 運作下，方程式 1 完整描述了電感儲存能量的關(guān)係：
其中 Ipk 是峰值電感器電流，η 則是轉(zhuǎn)換器的效率。峰值電感器電流等於方程式 2：
由以下兩個方程式推導(dǎo)，方程式 3 將工作週期 (d) 表示為以下參數(shù)的函數(shù)：
由於 VIN 代表 FET 導(dǎo)通時電感兩端的電壓，而 ipk 是工作週期 d 結(jié)束時的電感峰值電流，將方程式 2 代入方程式 3 後，即可推導(dǎo)出方程式 4 與方程式 5：
平均負(fù)載電流由工作階段 d' 期間的方程式 6 與方程式 7 所描述的幾何關(guān)係決定：
將方程式 2 代入方程式 7 可得到方程式 8：
這段時間的剩餘部分定義為 d''，此時能量轉(zhuǎn)移到 C2，且剩餘電感電流放電至零（方程式 9）：
圖 4 展示了一個實現(xiàn)此轉(zhuǎn)換器的範(fàn)例電路圖，其採用電壓倍增器結(jié)構(gòu)，使每個功率級元件的電壓應(yīng)力均等於輸出總電壓的一半。這提供了更廣泛的元件選擇範(fàn)圍。在此應(yīng)用中，電感值的計算方式假設(shè)輸出電壓為一半，但負(fù)載電流為兩倍。
圖 4 帶電壓倍增器與位準(zhǔn)偏移電流鏡的電感驅(qū)動式反向電荷泵電路圖該轉(zhuǎn)換器採用單一電感結(jié)構(gòu)，能以小型化設(shè)計產(chǎn)生大負(fù)電壓。此外，該設(shè)計可使用成本較低的接地參考升壓控制器來驅(qū)動 N 通道 FET。
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