電子設(shè)備主要使用正電壓軌供電;偶爾也會使用一些負(fù)電壓軌。因此，負(fù)(或反相)輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案不如正輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案常見。然而，當(dāng)為工廠自動化、樓宇自動化和通信系統(tǒng)中的高性能設(shè)備(例如高速 DAC、運算放大器、RF 功率放大器、AFE、GaN FET 柵極驅(qū)動器和 IGBT 柵極驅(qū)動器)供電時，需要負(fù)電壓軌。

設(shè)計人員在尋找負(fù)電壓解決方案時面臨著巨大挑戰(zhàn)，因為大多數(shù)傳統(tǒng)設(shè)備都需要外部電平轉(zhuǎn)換器電路與之通信。它們也過時、效率低下、復(fù)雜且笨重。本文詳細(xì)討論了傳統(tǒng)解決方案的缺點，然后研究了一種新型的高度集成設(shè)備，以解決該缺陷，并提供緊湊、易于使用和高效的負(fù)輸出 DC-DC 解決方案。

負(fù)輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的挑戰(zhàn)

典型的電源系統(tǒng)具有作為接地參考或 GND 的最低電壓電位。對于正輸出 DC-DC 輸出轉(zhuǎn)換器，接地參考只是 GND(0-V 電位)。它的輸入/輸出信號自然地以該地為參考。系統(tǒng)控制器使用 I/O 引腳簡單直接地與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器通信。

有這樣一個系統(tǒng)，其中系統(tǒng)微控制器 (MCU) 驅(qū)動轉(zhuǎn)換器的 EN(啟用)引腳以將其打開和關(guān)閉。控制器還通過其 PGOOD(即 RESET)引腳讀取轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)，以了解轉(zhuǎn)換器功率輸出是否在其調(diào)節(jié)范圍內(nèi)并準(zhǔn)備好為整個系統(tǒng)供電。為簡單起見，此處僅顯示了一個 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，但該原理也適用于具有多個正電壓軌的系統(tǒng)。

當(dāng)使用負(fù) DC-DC 時，與系統(tǒng)控制器的通信并非易事。轉(zhuǎn)換器的 I/O 引腳以其最低電壓電位為參考，在這種情況下，它是負(fù)輸出電壓，而不是系統(tǒng)接地 (GND)。使用負(fù)電壓軌時，設(shè)計人員需要為系統(tǒng) MCU 實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換器電路，以與 DC-DC 轉(zhuǎn)換器通信。

同樣，為簡單起見，此處僅顯示了一個負(fù)輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，但該原理適用于具有多個負(fù)電壓軌或正負(fù)電壓軌混合的系統(tǒng)。每個負(fù)輸出 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的每個 I/O 引腳都需要一個電平轉(zhuǎn)換器。

電平轉(zhuǎn)換器電路很大，給設(shè)計人員帶來了挑戰(zhàn)。此外，傳統(tǒng)的負(fù) DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案復(fù)雜且效率低下，是另一個挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn) 1：電平轉(zhuǎn)換器

一個典型的電平轉(zhuǎn)換器電路，其目的是改變信號的接地參考以匹配系統(tǒng) MCU 的接地參考。此處用于轉(zhuǎn)換來自系統(tǒng) MCU 的 ON 命令以打開/關(guān)閉 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。該電平轉(zhuǎn)換器由 9 個組件組成。它的操作很簡單：當(dāng)系統(tǒng)控制器將 ON 驅(qū)動為高電平時，Q1 導(dǎo)通，進而將 Q2 偏置為導(dǎo)通并將 EN 驅(qū)動為高電平以啟用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。當(dāng) ON 被驅(qū)動為低電平時，Q1 和 Q2 都關(guān)閉，并且 EN 被驅(qū)動為低電平以禁用轉(zhuǎn)換器。

一種常見的電平轉(zhuǎn)換器電路變體，它在這里用于轉(zhuǎn)換來自 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 PGOOD 信號，以便系統(tǒng)微轉(zhuǎn)換器可以讀取它。當(dāng) PGOOD 被 DC-DC 轉(zhuǎn)換器驅(qū)動為高電平(漏極開路)時，Q3 導(dǎo)通，進而偏置 Q4 并將 RESET 驅(qū)動為高電平，從而使系統(tǒng) MCU 退出復(fù)位狀態(tài)。

這兩個電平轉(zhuǎn)換器需要 18 個外部元件，對試圖將解決方案適應(yīng)不斷縮小的設(shè)備和電路板空間的設(shè)計人員提出了挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn) 2：效率低下

傳統(tǒng)的負(fù)輸出 DC-DC 解決方案效率低下。由于效率低下而產(chǎn)生的額外熱量給設(shè)計師帶來了另一個挑戰(zhàn)，他們現(xiàn)在有額外的負(fù)擔(dān)從系統(tǒng)中去除熱量。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)面臨兩個低效問題。首先，它采用非同步開關(guān)，與同步解決方案相比，輸出整流二極管 D1 消耗更多功率。其次，它有一個額外的功率電感器 L1 和一個額外的電容器 C1，它們也會消耗更多的功率。顯示了該轉(zhuǎn)換器的效率曲線，在 12V 輸入和 -15V 輸出時測量。其峰值效率僅為 83%，而在 150 mA 輸出電流下功耗約為 460 mW。