基于電感器的開(kāi)關(guān)模式電壓轉換是電路設計人員的一項基本技術(shù)。它使我們能夠通過(guò)高效且緊湊的電路實(shí)現降壓和升壓調節，而不會(huì )在過(guò)程中引入過(guò)多的復雜性。

我在之前的文章中介紹了降壓和升壓穩壓器，今天我們將了解另一種基本開(kāi)關(guān)穩壓器拓撲：反相降壓-升壓轉換器。

當我在這種情況下使用“基本”一詞時(shí)，我指的是由輸出電容以及一個(gè)電感器、一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)二極管組成的電路。我現在提到這一點(diǎn)是為了解釋為什么本文僅介紹反相降壓-升壓架構，而不包括四開(kāi)關(guān)降壓-升壓架構。

反相降壓-升壓轉換器的基本布局如下圖 1 所示。該電路接受正輸入電壓并產(chǎn)生負輸出電壓，該電壓可以大于或小于輸入電壓。

  
圖 1.反相降壓-升壓轉換器的通用拓撲。

現在是我在 LTspice 中創(chuàng )建一個(gè)實(shí)現的時(shí)候了。

想在深入研究之前回顧一下基礎知識嗎？閱讀“什么是開(kāi)關(guān)穩壓器？”，回顧與 DC-DC 轉換器相關(guān)的一般概念。

LTspice電路設計

雖然這次我不會(huì )逐步引導您完成原理圖設計過(guò)程，但我想簡(jiǎn)要評論幾個(gè)方面。

對于我的降壓轉換器原理圖，我采用了一種正式方法，其中借助公式和性能規格來(lái)確定元件值。對于升壓轉換器，我更多地研究示例電路，并優(yōu)先考慮維持合理電感器尺寸的實(shí)際目標。

不過(guò)，對于這個(gè)降壓-升壓轉換器，我依靠直覺(jué)并輔以反復試驗。開(kāi)關(guān)模式電源 (SMPS) 功率級的設計有多種方法。公式和數據表建議是一個(gè)很好的起點(diǎn)，但不要害怕嘗試。

請務(wù)必仔細檢查您的工作。起初，LTspice 無(wú)法成功運行該電路的仿真，我終意識到電流源指向了錯誤的方向！請記住，反相降壓-升壓電路的V OUT為負，因此負載電流從接地節點(diǎn)向上流動(dòng)。

我的降壓-升壓原理圖的終版本如圖 2 所示。我們將首先使用它來(lái)檢查反相降壓-升壓轉換器的基本操作，然后進(jìn)行模擬以進(jìn)行更詳細的分析。

 
圖 2.在 LTspice 中實(shí)現的反相降壓-升壓轉換器。

反相降壓-升壓轉換器的基本操作

與之前的轉換器拓撲一樣，我們將在兩個(gè)不同的操作階段分析降壓-升壓轉換器：當開(kāi)關(guān)傳導電流時(shí)（接通狀態(tài)），以及當開(kāi)關(guān)阻塞電流時(shí)（關(guān)斷狀態(tài)）。我們將從開(kāi)啟狀態(tài)開(kāi)始。

開(kāi)啟狀態(tài)

圖 3.接通狀態(tài)下流經(jīng)降壓-升壓轉換器的電流。

圖 3 顯示了開(kāi)關(guān)導通狀態(tài)下電流通過(guò)電路的路徑： 當開(kāi)關(guān)導通時(shí)，電流從輸入電源流經(jīng)電感器，然后流至地。

該圖顯示了在接通狀態(tài)下流過(guò)反相降壓-升壓轉換器的電流。

電感器正在充電——其電流正在上升。同時(shí)，負載電流完全由輸出電容器提供，我們假設輸出電容器已經(jīng)充電至輸出電壓。它向上流動(dòng)，因為V OUT為負，因此低于地電位。當我們討論關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，我們將了解為什么輸出電容器充電到負電壓。

由于V OUT為負且電感器上端子處的電壓約等于V IN，因此二極管反向偏置。然而，由于涉及電壓極性，電流自然會(huì )從輸入側流向輸出側。二極管的方向可以防止這種情況發(fā)生。

關(guān)閉狀態(tài)

 
圖 4 顯示了關(guān)斷狀態(tài)下電流的路徑。

該圖顯示了在關(guān)斷狀態(tài)下流過(guò)反相降壓-升壓轉換器的電流。

圖 4.關(guān)斷狀態(tài)下流經(jīng)降壓-升壓轉換器的電流。

當開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電感器嘗試保持一致的電流。這導致其上端子處的電壓下降，直到二極管正向偏置。一旦二極管導通，電感器就充當負載電流的能源；它還通過(guò)電容器吸取電流，使得電容器上端子處的電壓必須低于接地電壓。電容器充電至負電壓，V OUT變?yōu)樨撝怠?/font>