非隔离式正输入拓扑具有一些可用于负输入电压的镜像 (mirror-image) 拓扑,但是要特别注意控制器的选择以及偏置电源 (bias power) 与反馈 (feedback) 的实施。
现在的消费性电子产品大量地使用切换式 DC/DC 电源。大多数应用所使用的输入源都能提供正 DC 电压作为系统接地的参考值。这些电源通常包括电池、墙式转接器 (wall adapter) 或稳压 AC 电源。若要从一个未稳压的 DC 电源产生稳定的电压,通常会使用降压转换器、升压转换器、反相降压升压转换器 (inverting buck boost) 和单端初级电感转换器 (SEPIC) 等众所皆知的转换器拓扑。这些常见的拓扑会将正输入电压转换为正输出电压或负输出电压。
当必须使用负输入电压作为 DC/DC 转换器的输入源时,就会出现难题。返驰 (flyback) 或顺向 (forward) 之类的变压器隔离拓扑可适用于负输入电压。但是,变压器隔离拓扑往往会比非隔离拓扑大。另外,此类变压器几乎都是一些采购周期长、成本较高的客制化装置。
幸运的是所有常用的非隔离正输入拓扑都有可用于负输入电压的镜像拓扑。图1的图示有助于清楚地显示拓扑的选择。在该图中,输入电压的绘制与输出电压相对,用虚线画出的对角线处代表输入电压和输出电压相等。右半边代表常见的正输入拓扑,左半边则代表较少见的负输入拓扑。这些转换器之间的相似处显示它就像一个负输入电压的平行宇宙。
降压拓扑
降压转换器是所有电力电子课程都会教授的第一个切换模式拓扑,然而大多数设计人员对于负输入降压拓扑的使用还是犹豫不决。跟相对的正输入降压拓扑一样,负输入降压拓扑具有一个始终大于输出的输入。图2显示这两种拓扑的简化示意图。二者都使用相同的电源组件,只是与接地的相对位置有所不同。实施负输入降压拓扑的挑战包括控制器偏置、输出反馈和驱动电源切换。
图3显示负输入降压稳压器的实际应用。本例中,控制器直接从负输入轨获得电源,同时系统接地将为控制器的 VCC 提供电力。必须特别注意并确保输入电压永远不会超出控制器的最大VCC额定值。控制电路会驱动一个 N 信道MOSFET,因为该控制器跟 FET 源具有相同的接地参考电压。另外,FET 电源线内可以侦测到切换电流,因此可以轻松地实施电流模式控制。
与正输入降压拓扑不同,输出电压并未与控制电路共享同一接地,因此反馈电路就变得比较复杂,并且需要一个电平移位 (level shift) 电路。为了保持输出电压的稳定,TLV431 会将电流汲入其阴极 (cathode),并迫使电流流入 R10。这样便可提供输出稳压所需但需变换至控制器接地参考电压的反馈电压。
升压拓扑
升压转换器升高而非降低输入电压的输出电压,可被视为降压转换器的相反。图4的简化电路显示正输入升压与负输入升压之间的相似处。
两者之间的功能形成互补,特别是介于输入和输出之间、通过电感及二极管的 DC 路径。输入到输出的“非切换式”路径让电流能永远流至输出。因此,在转换器开始切换之前,输出电压保持在与输入电压极为接近的程度。这使得输出电压能够造成升压控制器的偏置,如图5所示。
控制器必须要有一个略低于最小输入电压的开启电压阀值,同时还必须能够承受升压过后的输出电压。正输入升压的 N 通道电源开关会转变为负输入升压中的一个 P 通道 FET。可以使用一个 N 通道 FET,但是它会要求一个类似闸极驱动变压器 (gate-driver transmitter) 的电平移位驱动器,进而增加成本和复杂度。
图5使用 TPS40200 控制器,可直接驱动 P 信道 FET。控制器能够直接侦测到输出电压,因此反馈较为简单。由于控制器是以输出接地作为参考,所以不需要接地电平移位电路。连接控制器的另一种方法是从输入电压而非输出造成偏置。这需要一个相似于降压转换器中所用的电平移位反馈。
降压—升压拓扑
反相降压—升压电路提供了一个与输入电压极性相反的输出电压。大多数反相降压—升压转换都会从正输入端获得一个负输出电压。图 6 显示如何从一个负输入端获得一个正输出。与大多数负输入拓扑一样,这种控制电路的接地和 FET 驱动设置并非总是一目了然。
图 7 显示一种可能的实际应用。该控制器的布局与负输入降压转换器类似。图 7 所示电平变换电路必须能够在一个较大(相较于降压)的电位上转换反馈。Q1 必须具有一个集电极-发射极 (collector-emitter) 电压额定值,其值大约等于输入电压加输出电压。在一些需要额外正电压的负输入电信等应用中,这种电路非常有用。
SEPIC 及其他拓扑
无论对大于输入还是小于输入的输出,SEPIC转换器都可提供稳定的输出电压。它同时结合了降压和升压的功能。然而,额外的电容、电感以及更为复杂的控制特性,使得 SEPIC 成为最难了解的拓扑之一。
图 8 显示传统 SEPIC 和负输入 SEPIC 的简化示意图。当电源切换启动时的部分切换周期内,输入电感中的电流呈斜坡上升。两个电感间 AC 耦合电容的电压始终会保持与输入电压 (VIN) 相等。
FET 开启后,电容的极性反转将偏置输出二极管,进而阻止能量传输至输出端。另外,在此期间,电流在 AC 耦合电容和输出电感之间循环。当二极管反转偏置时,供应负载的电流完全被输出电容所掌控。在电源切换关闭时的部分切换周期内,输入电感的极性会反转,进而驱使电流通过 AC 耦合电容和二极管并流入输出电容和负载。
图9显示负输入SEPIC的一种实际应用。与升压电路一样,该电路一般会使用一个 P 通道 FET,因此具备 P 信道驱动器的 TPS40200 等控制器是不错的选择。反馈需要电平移位,而此电平移位可藉由负输入降压转换器内的相同电路来实现。P 信道控制器通常为电压模式控制,这会使控制回路变得比较复杂。
将拓扑反射到负输入电压领域中的这些技术适用于所有拓扑。另外两种拓扑分别是 Cuk 和 ZETA 转换器。ZETA 转换器的功能与 SEPIC 相同,而 Cuk 可以被用来代替反相降压升压拓扑。利用负输入,ZETA 可使用一个电流模式控制的 N 信道 FET,相较于负输入 SEPIC,应该是更为适合的选择。然而,相较于反相降压升压拓扑,Cuk 的零部件更多、体积更大并且成本更高。