輕松實(shí)現負電壓跟蹤

　　我們向任何同步降壓轉換器添加一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，就能生成跟蹤負輸出，該跟蹤負輸出可實(shí)現較好的穩壓作用，并降低成本，減少占用面積，同時(shí)提高效率。

　　高速服務(wù)器、工作站和時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò )等應用都需要晶體管-晶體管邏輯 (TTL) 和發(fā)射極耦合邏輯 (ECL) 轉換器。差動(dòng) ECL 器件通常需要正負輸出電壓。輸入電源為正直流電壓時(shí)，我們可用幾種方法來(lái)實(shí)現電壓逆變，從而獲得所需的負輸出電壓。

　　我們可采用的拓撲包括充電泵、反相降壓/升壓轉換器以及 Cuk 轉換器等。每種方法都需要專(zhuān)門(mén)的控制電路進(jìn)行調節。除了充電泵之外，每個(gè)功率級還需要電感器、FET 和二極管等多個(gè)組件。反相充電泵占用面積較小，但在負載升高時(shí)，不但效率不高，而且穩壓效果也不是很理想。

　　反向和其他變壓器設計方法也是我們的可選方案。只有在需要系統實(shí)現其他高功率輸出電壓的情況下，我們才選擇這些方法。在這種情況下，負 5V 輸出電壓應通過(guò)變壓器輔助繞組的線(xiàn)性穩壓器進(jìn)行二次穩壓 (post-regulated)。但上述方法都不能同時(shí)實(shí)現低成本、高性能和減小占用面積的優(yōu)勢。下面我們介紹一款簡(jiǎn)單的解決方案，可以解決上述所有問(wèn)題。

　　圖 1 所示的雙同步降壓轉換器為正 5V 輸出電壓和系統定義的另一款輸出電壓（本例中為 3.3 V）的典型設計解決方案。突出顯示框中的電路顯示了生成負 5V 輸出電壓所用的額外組件。正 5V 電路作為標準的同步降壓轉換器工作，其開(kāi)關(guān)循環(huán)包括兩個(gè)組成部分。

圖1、為該雙同步降壓轉換器在添加最少量的組件（見(jiàn)突出顯示框）就可提供負輸出電壓。

　　在開(kāi)關(guān)循環(huán)的第一階段，頂部 FET Q2A 開(kāi)始進(jìn)行傳導，并在電感器 L1 的引腳 3-1 上施加一個(gè)電壓 (VIN – VOUT)。這時(shí) FET Q2B 和 Q1 將關(guān)閉，而負 5V 輸出電容 C2 則提供全部的負 5V 輸出電流。C2 的大小必須適當，這樣才能在本階段提供負 5V 電流，并保證負 5V 輸出紋波電壓在限定范圍以?xún)取?/p>

　　Q1 關(guān)閉時(shí)，必須阻擋相當于負 5V 輸出電壓加上 L1 輔助繞組上耦合電壓大小的電壓。在 L1 匝比為 1：1 的情況下，Q1 的阻塞電壓基本等于輸入電壓。

差動(dòng)放射極耦合邏輯器件通常同時(shí)需要正負輸出電壓

　　在開(kāi)關(guān)循環(huán)的第二階段，控制器將頂部 FET Q2A 關(guān)閉，并將底部 FET Q2B 和 Q1 開(kāi)啟。電感器 L1 引腳 1-3 上的電壓必須得到逆變，以保持電流流向相同（進(jìn)入輸出端），這就會(huì )在耦合電感器繞組“單點(diǎn)”上產(chǎn)生正電壓。L1 引腳 1-3 上的電壓振幅固定于一定的水平，即相當于輸出電壓與 Q2B 相對較低的壓降之和。

　　請注意，在底部 FET Q2B 傳導過(guò)程中，電流以順時(shí)針?lè )较蛄鹘?jīng)電感器和負載，并流經(jīng)底部 FET Q2B 和電感器返回。在此傳導階段，耦合電感器次級繞組引腳 2-4 的電壓等于引腳 1-3 上的電壓，因為兩個(gè)繞組的匝數相同。由于 FET Q1 開(kāi)啟，因此電流從次級繞組流向負載，同時(shí)也會(huì )給 C2 充電。

　　負輸出的電壓等于電感器的次級電壓減去 FET Q1 的傳導壓降以及電感器的電阻性壓降。我們應選擇低繞組電阻的電感器以及低導通電阻的 FET，這樣就能將壓降最小化，從而減少負 5V 輸出隨負載增加而出現的差異。最小化底部 FET Q2B 的導通電阻還有助于改進(jìn)負 5V 輸出的穩壓作用，因為該壓降與正 5V 輸出電流成正比。

　　我們可以注意到這樣一種有趣的情況，即 FET Q2B 的壓降越大，負 5V 輸出的負極性就越強。在一定的正 5V 和負 5V 輸出負載條件下，FET Q2B 和 Q1 的壓降可能會(huì )相互抵消，從而實(shí)現完美的輸出電壓匹配。

　　Q1 的柵極驅動(dòng)電壓來(lái)自底部 FET Q2B 的柵極驅動(dòng)電壓，因為兩個(gè) FET 都同相地 (in-phase) 協(xié)調工作。底部 FET 柵-源電壓的峰至峰振幅根據控制器設置為 5V。電容 C1 交流耦合于該開(kāi)關(guān)信號，但阻塞直流平均電平。二極管 D1 僅在負電壓擺動(dòng)時(shí)進(jìn)行傳導，將 Q1 的柵極電壓固定于源引腳 0.7V 以下，并將其關(guān)閉。

　　在正電壓擺動(dòng)時(shí)，峰值電壓會(huì )比關(guān)閉時(shí)大 5V，這就形成了約為 4.3V 的正柵-源電壓，并開(kāi)啟 Q1。我們必須使用柵-源閾值電壓為 2.5V 的 MOSFET，這樣才能確保 Q1 全面增強。使用二極管 D1 后，可以確保幾乎所有可用的驅動(dòng)電壓振幅（不到一個(gè)二極管壓降）都能用作正向柵-源電壓。

　　如果沒(méi)有 D1，那么正向柵-源電壓振幅就會(huì )隨著(zhù)占空比變化而變化。輸入電壓最高時(shí)，其振幅最低，這就會(huì )增加 Q1 不能正常開(kāi)啟的幾率。主體二極管 Q1 在 FET 開(kāi)關(guān)交換時(shí)間（在 Q1 完全開(kāi)啟前）內允許負 5V 電流通過(guò)其傳導，但不能提供良好輸出穩壓所需的較低正向壓降。我們針對 Q1 采用了 N 通道器件，從而實(shí)現了比 p 通道器件更低的 RDS(ON) 值，而且還將目前市場(chǎng)上可用的商用器件的選擇范圍拓寬了許多。

　　圖 2 顯示了 FET Q1 以接地和負 5V 輸出電壓為參考測量所得的柵極電壓。電阻 R1 和 Q1 輸入電容提供了波形邊緣的高頻過(guò)濾功能，而電阻 R2 則提供了低阻抗下拉功能，以避免驅動(dòng)信號浮動(dòng)。

　　圖 3 顯示了滿(mǎn)負載情況下，在電感器 L1 一級和次級繞組上測量得出的電流。我們可以看到，正 5V 電感器電流（頂部）中，電流的下坡部分必須同時(shí)為正 5V 和負 5V 輸出提供電流，而且還要為負 5V 輸出電容充電，這就使一級峰至峰紋波電流提高了近 50%，因此必須在正 5V 輸出上采用更多輸出電容，這樣才能保持輸出紋波電壓較低。

　　由于次級繞組電流為脈沖形式，因此會(huì )對負 5V 輸出電容形成較大負擔。不難看出，負 5V 負載電流較大時(shí)，正 5V 和負 5V 輸出需要很大的輸出電容才能保持合理的紋波電壓。因此，我們建議負輸出上的負載相對于正輸出而言要低一些。

　　本例中的電路采用 Coiltronics DRQ127 耦合電感器，其繞組電阻很低，但直流電流的額定值卻較高。其采用標準尺寸封裝，僅比功能相當的單繞組電感器略大一些，成本的增加也非常有限。我們只有在盡可能降低繞組電阻的情況下才能實(shí)現最佳的電路性能，因為繞組電阻隨著(zhù)負載增加會(huì )影響穩壓性能。

　　圖4顯示了加電時(shí)的輸出電壓波形。負 5V 能準確跟蹤正 5V，因為電感器的次級繞組電壓以逐脈沖的方式固定在正 5V 輸出電壓。無(wú)論正 5V 輸出電壓情況如何，負電壓都可以根據 Q2B 上較小的壓降以及 Q1 和 L1 的繞組電阻進(jìn)行準確地跟蹤。

　　在圖 5 中負 5-V 輸出的測量顯示了其負載穩壓功能。該曲線(xiàn)顯示了負 5V 電壓加載時(shí)的差異，每個(gè)曲線(xiàn)都為不同的正 5V 負載。不同負載情況下，電壓穩壓差異在 ±1% 以?xún)?，?5V 輸出交叉負載也會(huì )有 ±1% 的差異，從而使整體輸出差異為 ±2%。附加電路所引起的損耗非常低，在大多數加載情況下，輸出效率可達 95%。

圖5、圖1中電路的負5-V輸出提供良好的交叉穩壓性能。

作者：德州儀器 (TI) 應用工程師 John Betten