1. 引言
在高性能通信及工业点对点负载（POL）应用中，设计负电压轨（如 -5V, -12V）的选择往往非常有限。专门的负压升压芯片极少，而常见的反激（Flyback）或电荷泵方案通常存在体积大、效率低或电磁干扰（EMI）严重的缺点。
事实上，如果系统中已经存在一个负电压（如 -5V），我们完全可以利用标准同步降压（Buck）控制器来构建一个高效的负向升压转换器，产生更负的电压（如 -12V）。这种方案利用了降压控制器极其成熟的生态链，能获得更小的外围尺寸和优异的效率。
2. 从正向 Buck 到负向 Boost 的拓扑演变
理解该设计的关键在于改变观察系统的“参考点”。
2.1 正向降压 (Buck) 基础
标准同步降压转换器由半桥、电感和输出电容组成。控制器通过调节高侧 FET 的占空比 来降低输出电压。其传输函数极其简单：。
2.2 负向升压 (Negative Boost) 镜像
负向升压拓扑通过现有的负压（）生成一个更负的输出（）。 如果我们以**负输出端（-OUT）**作为本地控制器的虚拟“地”，原来的降压拓扑在结构上就变成了升压拓扑：
- 输入输出对调：原本的“输出端”现在接负输入电压。
- 地电位提升：控制器的 GND 引脚连接到负输出端（最负点）。
- 占空比逻辑：当开关管导通时，电感储能；关断时，电感产生的感应电动势将能量“推”向系统地（0V），从而在相对于系统地的角度实现电压的“升高”（数值更负）。
核心特征对照：
- 控制开关：降压控制器的高侧 FET 依然是主控制开关。
- 电流流向：电感电流方向保持一致，始终从半桥中点流出。
- 调节逻辑：增加占空比 会增加输出电压的绝对值（使其更负）。
3. 关键器件选型与注意事项
将 Buck 芯片用于负压升压时，不能简单套用规格书。
3.1 外部补偿的需求
升压拓扑（Boost）在连续导通模式（CCM）下存在右半平面零点（RHPZ），这会引入 的相位滞后。因此，必须选择带有**外部补偿引脚（COMP）**的控制器，以便重新设计补偿网络，确保系统稳定。
3.2 电流限流值的换算
降压控制器检测的是输出电流，但在负向升压结构中，它检测的是输入平均电流。
- 公式：
- 示例：从 -5V 升压至 -12V（），若负载电流为 1A，输入电流则高达 2.4A。所选芯片的限流点（Current Limit）必须涵盖此输入峰值。
3.3 供电电压 (VDD) 范围
这是最容易烧毁芯片的坑。控制器的 VDD 引脚参考的是负输出端（系统的最负点）。
- 电压应力：芯片承受的电压为 。
- 启动逻辑：启动瞬间，输出电压等于输入电压。控制器必须能在 下唤醒，并能在 下长期稳定工作。
4. 效率分析：Buck 还是 Boost？
负向升压调节器的效率可以由其等效降压电路推导而出：
实验数据表明，当原降压电路效率超过 90% 时，转换后的负压升压效率通常能维持在 88% 以上。
5. 控制理论与环路补偿
升压转换器的传递函数比降压复杂得多。由于 RHPZ 的存在，补偿策略通常需要将交越频率（Crossover Frequency）设置在 RHPZ 频率的 1/5 以下。
以电流模式控制器（如 TI TPS54020）分析，需通过波德图法（Bode Plot）调整极点和零点位置，确保在最恶劣负载条件下仍有超过 的相位裕度。
6. 设计实例：从 -2V 到 -3V
- 输入：-2V
- 输出：-3V
- 负载电流：6A
- 方案选择：TPS54020（高电流同步降压控制器）
- 调试重点：
- 测量 COMP 引脚波形，确保无低频振荡。
- 观察开关节点（SW）波形，确保在占空比跳变时无明显抖动。
7. 结论
通过巧妙地改变参考地，标准的正向同步降压转换器能够化身为高性能的负向升压转换器。这种方法避开了昂贵或稀有的专用负压 IC，利用同步整流技术提供了极高的效率和稳定性。对于需要从现有负总线扩展功率轨的工程师来说，这是一个极具成本效益的“降维打击”方案。