目前在工業、汽車電子系統中有諸如溫度、壓力、位置、重量和流量等物理引數的精確測量，這些訊號中的一些感測器和前置放大器需要正負電壓源驅動或供電，以提供足夠寬的動態範圍和抗干擾性。這些電子系統通常使用3.3v、5v、12v或24v中的某一電壓的直流電源供電，所以必須使用乙個直流變換器從正的電源得到乙個負的電壓滿足系統的要求。在本文中將討論各種負壓變換器各種拓樸結構及工作原理，並比較它們各自的優缺點，從而為電子工程師提供一些設計的指導。
基本buck-boost變換器的結構見圖1所示。主開關管在輸入側的高邊，與buck變換器相同；二極體在輸入側的高邊，與boost變換器相同，輸出二極體的方向與boost變換器的二極體的方向相反，輸出得到負電壓，因此這種結構稱為buck-boost變換器。
開關週期開始時，主開關管導通、電感激磁，電感的電流線性上公升。二極體由於承受負電壓，處於關斷狀態，此時輸出的負載電流由輸出的大電容維持；主開關管關斷後，二極體導通、電感去磁，電感的電流線性降低，儲存在電感的中的能量向輸出負載傳輸能量，直到下乙個週期主開關管又導通。
圖1：基本的buck-boost變換器
輸出電壓為：
vo= -vin•d/(1-d)
其中， d為占空比。
從公式可以得到：輸出電壓的絕對值可以大於或少於輸入電壓。由於在主開關管導通期間，輸入電壓不向輸出負載傳輸能量，輸出的負載電流完全由輸出的大電容維持，因此輸出的紋波電壓大。由於后級訊號的模擬電路對電源的紋波電壓要求高，因此使用這種結構時，通常在變換器的後面再加lc濾波器，或高效能的線性穩壓器，以抑止其輸入側帶入的雜訊和紋波。
cuk電路採用雙電感結構，可以克服buck-boost變換器輸出紋波大的缺點，實現低的輸出紋波，cuk變換器的結構見圖2所示。
圖2：cuk變換器
在開關週期開始時，主開關管導通，電感l1和l2同時激磁，電感的電流線性上公升。二極體由於承受負電壓，處於關斷狀態。主開關管關斷後，二極體導通，電感l1和l2同時去磁，電感的電流線性降低，到下乙個週期主開關管又導通；注意到在開關管開通過程中，電感l2儲存能量，在開關管關斷的過程中，儲存在電感l2中的能量輸出給負載，因此輸出電壓紋波小。輸出電壓為：
vo=-vin•d/(1-d)
從公式可以得到：輸出電壓的絕對值可以大於或少於輸入電壓。cuk變換器需要雙電感，結構變得複雜，成本也增加，同時效率降低。此外，開關管流過兩個電感的激磁電流，電流的應力大。若使用使用耦合電感，在同樣的磁化電感的條件下，電流紋波減小一半。cuk電路適合於對輸出電壓紋波有較高要求的應用。
cuk電路的耦合電容在主功率迴路中，流過高頻的大電流，所以要選用低esr/esl的x5r/x7r陶瓷電容。在主開關管導通時，耦合電容的電流與輸出的負載電流相同，因此可以通過下式來計算：
c•duc/dt=ic
c=d•ts•io/a•vc
其中：ts為開關頻率，a為電容電壓的紋波係數，取0.2~0.3。
cuk電路有一種變形的單電感結構，如圖3所示。其與標準的cuk的不同在於使用乙個二極體代替輸出電感，工作原理與充電幫浦結構有些類似。
圖3：基於cuk的充電幫浦變換器
由於使用單電感結構，成本低，但輸出的電壓紋波變大。這種結構的優勢在於由於輸入結構和boost相同，功率管的s極接地，因此可以直接使用n溝道的mosfet，驅動簡單；同時電流取樣可以放在低邊，也簡化的設計，而buck-boost變換器沒有這種特點。
若對負輸出作調節，參考電壓的選取有二種方式：一是控制器可以提供乙個負的參考電壓。若控制器不能提供負的參考電壓，就必須外加乙個運放作反饋電壓的轉化，如圖4(a)所示，外部的運算放大器接為反相放大器，其中， r3=r2。
(a) 利用外部放大器
(b) 利用內部放大器
圖4：負輸出電壓的反饋設計
有些控制器將電壓反饋的誤差放大器的同相端和反相端都引出，如圖4(b)所示，同時提供乙個正的參考電壓。此時，若要輸出負電壓，可以將放大器的反相端接地，同相端在外部通過乙個電阻接到正的參考電壓，並且通過另乙個電阻接到負輸出端，即可以得到負的輸出電壓。由放大器的工作原理，運放的同相端的電壓必須為0，同時流入同相端的電流為0，所以：
vref/rref=vo/rvo
同相端的電壓為：
v+=(vref•rvo-vo•rref)/(rref+rvo)
當輸出電流增加，輸出的電壓vo絕對值降低，同相端的電壓v+增加，內部電壓誤差放大器接成同相放大器，所以ith管電壓也增加，占空比增大，與反饋調節的趨勢是一致的。
有些應用需要雙路多路的負輸出電壓如-5v、-12v、-15v及-24v等，為了降低成本，可以對輸出電流最大的一路使用cuk變換器，而對其它的輸出採用在輸出電感加耦合繞組的方法獲取，如圖5所示。這種方式成本低，但效率也較低。
圖5：多路負輸出
由於只能對其中的一路作輸出調節，因此對於其它的輸出，如果輸出精確要求不是很高，可以在輸出加穩壓管得到需要的電壓。如果輸出精確要求較高，可以在輸出加線性穩壓器。
注意到cuk電路的左邊和boost變換器相同，因此在有公升壓boost變換器的系統中，可以基於boost變換器，額外的加乙個電感、二極體和耦合電容，配置成cuk電路，得到一路負壓。通常boost變換器處於反饋調節，那麼，沒有反饋調節的cuk就可以通過改變電感的匝數並在後面加穩壓管和線性穩壓器得到需要的電壓。
圖6：boost正輸出和cuk負輸出
基於通用buck變換器也可以得到負電壓。可以設想：通用buck變換器的輸入、輸出是以地為基準，所以輸入、輸出都為正。如果將負電壓做為ic控制器的參考基準，輸出的正端接地，那麼，輸入電壓、輸出的地相對於負電壓的基準，就都為正。
圖7：基於buck變換器的負變換器
不同於通用buck變換器，這種結構的輸出電流是方波，其峰峰值大於輸出的電流值，而且輸出電壓的紋波和輸出電容的紋波電流也遠大於通用buck變換器，通用buck變換器的輸出電流是直流值。因此，必要的話，這種變換器可以在其輸出加一級lc濾波器，減小輸出電壓的紋波。
這種變換器有兩種工作模式：非連續dcm和連續ccm模式。非連續dcm的反饋容易設計，可用較小的電感值，但開關管中的峰值電流大，因此對於同樣額定電流的開關管，所得到的輸出電流小。如果輸出的負載電流大，要選用ccm模式，用大的電感值。
通用buck變換器續流二極體流過負載電流，在起動和輸出過載時，也不會產生大電流。這種負變換器在起動和過載時，二極體的電流遠大於正常工作的電流，特別是在ccm工作模式下，必須用較大的電流額定值。
基於通用buck變換器也可以配置為負輸出的sepic電路，如圖8所示。圖中上部為通用buck變換器，得到可以調節精確的正輸出電壓，下部通過耦合電感及耦合電容得到負的輸出。
圖8：基於buck的負輸出sepic電路
注意圖中所示的耦合電感的極性，耦合電感的工作類似於反激電路的工作方式，得到負的輸出電壓。加入耦合電容c1，就變為sepic電路，從而提高輸出的調節性，降低電感紋波。同樣，負輸出由於沒有反饋調節，通過改變耦合電感的匝數和加穩壓管或線性穩壓器的方法得到穩定的負輸出。
通用的buck、boost電路的開關節點通常是浮動電壓，可以利用這個浮動的電壓組成充電幫浦電路，實現負壓的輸出。電幫浦電路通常要求輸出的負載電流比較小，而且其輸出電壓不做調節，可以使用穩壓管提高其輸出電壓的精度。
圖9：基於boost的負輸出充電幫浦電路
通用反激變換器由於使用變壓器，通過光耦調節可以得到完全隔離的輸出，由於輸出繞組浮空，因此可以任意的接為正輸出或負輸出電壓。反激變換器增加乙個繞組和乙個二極體就可以增加一路的輸出，因此非常容易得到多路的輸出，而且成本低。其工作原理和結構在本文中就不作詳細的介紹。
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