引言#

在点对点负载应用中，设计负电压轨道的选择非常有限。专门为此设计的集成设备较为罕见，而其他可用的解决方案通常存在较大缺点，如体积过大、噪音大、效率低等问题。如果已有负电压，可以利用它作为转换器的输入。这篇文章介绍了一种方法，使用标准的正向降压转换器来构建负向升压转换器。该转换器利用现有的负电压，生成一个幅度更大（即更负）的输出电压。使用升压调节器设计可以获得更小、更高效且更具成本效益的方案。

负向升压拓扑#

负向升压转换器的实现利用了正向降压转换器和负向升压转换器在电源设计和控制上的一些相似性。图1展示了正向降压调节器的基本工作原理。降压转换器由一个半桥和一个滤波器组成，半桥切换输入电压（VIN），滤波器提取直流成分。通过调节上方FET的占空比（D）来调节输出电压。若VOUT过低，控制环路会增加D；若VOUT过高，D则减小。

图2展示了负向升压拓扑，其中通过现有的负电压生成一个更负的输出电压。在占空比D期间，电感电流增加，储存能量；而在1-D期间，能量被传输到输出。当上方FET关断，下方FET导通时，电感电流流向输出端，支持负载，同时电感电流减小。可以看出，负向升压调节器和正向降压调节器有相似之处，唯一不同的是它们的电压级别和输入输出电压的交换。

转换器选择#

选择合适的转换器时，有几个关键因素需要考虑：

1. 外部补偿：需要选择带有外部补偿的转换器，以适应升压转换器不同的控制算法。
2. 电流要求：转换器处理的是输入电流而非负载电流，因此电流额定值和电流限制需要根据输入电流来选择。例如，一个从-6V转为-12V的升压转换器，其输出电流为1A（12W），而输入电流为2A（12W）。因此，所选转换器的电流额定值需要大于2A。
3. VDD电压：转换器的VDD由-OUT电压提供，这意味着当转换器启动时，VOUT等于VIN，并且VOUT会增加直到调节状态。因此，控制器必须能够以VDD = |VIN|启动，并能够继续在VDD = |VOUT|下运行。

效率分析#

负向升压调节器的效率与正向降压调节器相关，但通常会略低。图4和公式2展示了这两者效率的关系，当正向降压转换器的效率超过90%时，两者效率相当。

元器件选择#

在选择电感时，可以使用正向降压转换器的设计标准。对于升压转换器的输入和输出电容，应根据应用的纹波电压要求进行选择，尤其需要注意输出电容必须能够承受较大的RMS电流。

控制理论#

升压转换器的转移函数与降压转换器相比更复杂。采用电流模式控制的升压转换器基于TPS54020进行分析，使用波德图法来评估控制回路的稳定性。通过分析频率响应，可以确定控制环路的增益和相位，确保设计的稳定性。

设计实例#

以TI的TPS54020EVM082为例，设计一个输入电压为-2V，输出电压为-3V，负载电流为6A的负向升压转换器。通过调节开环增益和相位，设计一个具有良好稳定性的补偿环路，确保在交越频率处增益为0dB，能够提供足够的相位裕度。

结论#

通过使用标准的正向降压转换器，我们可以设计一个高效的负向升压转换器，并且能够与预期的性能高度匹配。实际测量结果与预期的波德图高度一致，证明该设计方法的有效性。通过合理选择元件并设计控制回路，能够实现稳定且高效的负向升压转换器。