在電子電路的設計中經常都需要使用負輸出電壓，業界有很多方法可以將正輸入電壓產生負輸出電壓，其中一個簡單又經濟的方法便是採用極性反向（降壓/升壓）轉換器。這種拓樸的優點在於所需元件少，並且可架構在標準的高端穩壓器積體電路，例如降壓穩壓器等。本文將討論這種拓樸方法的技術細節及相關設計重點，包括輸入和輸出電壓漣波、迴路的穩定性需求，並透過一個電路實例加以說明。

極性反向（降壓/升壓）拓樸

正如同降壓拓樸和升壓拓樸，極性反向降壓/升壓轉換器是一種最基本的功率轉換拓樸，上述的三種基本拓樸都是由一個主動開關（通常是MOSFET）、一個被動開關（二極體）以及一個電感器所共同組成。圖一分別表示出該三種基本的電壓轉換拓樸。極性反向拓樸的其中一個最大優點就是簡單，只需使用最少量的電源級元件，這不只有助於降低成本，而且還可降低開發拓樸的複雜度。極性反向拓樸將輸入電壓的極性反轉，並允許轉換出來的輸出電壓絕對值高於或低於輸入電壓絕對值。這種拓樸方法除了可以為系統提供負電壓外，還可不受制於系統接地參考的極性而為負載供電，而且輸入電壓更可高於或低於輸出電壓。這種應用的最佳實例是驅動LED燈串，當中需要從9V至30V的供電電壓產生一個總降壓為16V的輸出電壓給LED。在這個範例中，只需將LED燈串的陽極和陰極連接交換，便可使燈串接受負16V的電壓。這個極性反向拓樸可以輕易地將正9V或30V的輸入電壓供電轉換成為負16V的輸出電壓。

《圖一　三種最基本的開關式電源供給拓樸》

與降壓及升壓拓樸比較，反向拓樸擁有一個主要的能源儲存元件，這便是連接在開關節點與接地之間的電感器。在降壓拓樸中，電感器會連接到輸出節點，而在升壓拓樸中，電感器則連接到輸入節點。電感器的主要工作是防止電流突然改變，因此電感器能夠將某些節點上的雜訊消除。基於這個特性，我們不難發現，降壓拓樸雖然擁有一個非常安靜（不含雜訊）的輸出電壓，但出現在輸入端的雜訊仍然很大。相反地，升壓拓樸的輸入端非常安靜（不含雜訊），但在輸出端卻出現很大的雜訊。因為電感器的連接位置，極性反向拓樸無論在輸入及輸出端都存在雜訊，因此需要使用良好的電容性濾波器過濾帶有雜訊的節點，以便降低漣波電壓。因此，在使用極性反向拓樸時，需要同時在輸入節點和輸出節點加入低ESR旁路電容器以降低電壓漣波和雜訊。

與其他極性反向拓樸的比較

除了極性反向（降壓/升壓）拓樸外，市面上還有其他的拓樸方法可以將正輸入電壓轉換產生負輸出電壓，當中最常見的是反馳式（flyback）拓樸和CUK拓樸。但反馳式拓樸的缺點是需要使用變壓器，從設計的角度來看，尋找適合反馳式拓樸的變壓器比起尋找適合極性反向（降壓/升壓）拓樸的電感器困難的多。此外，變壓器的成本通常也比較昂貴。至於反馳式拓樸解決方案的優點是可以透過選用不同的圈數比率來達到直流電流隔離及非常寬廣的輸入電壓範圍。

因為採用兩個電感器，分別連接到輸入和輸出節點，CUK拓樸是一種非常安靜的拓樸技術。這種安排讓輸入及輸出的電容性濾波變得非常簡單。可是，CUK拓撲的最大缺點是需要使用負參考電壓，這間接限制了功率轉換器積體電路的選擇，或需要額外增加一個外部負參考電路作為補償。

設計極性反向（降壓/升壓）電路的重要指引

當設計一個極性反向（降壓/升壓）穩壓器時，不能隨便選擇降壓控制器或穩壓器，而是必須按照反向拓樸中的電壓要求來決定。這種拓樸中的開關節點所需要承受的電壓為最大輸入電壓與輸出電壓絕對值之總和。舉例而言，當設計的輸入電壓為25V而輸出電壓為負16V時，開關節點所承受的電壓將為41V，而大部份功率轉換器的開關節點都是為降壓調節而設計，其開關節點的電壓設定與最高輸入電壓相同。

此外，選擇具備合適電流比率的穩壓器積體電路也不如想像般簡單。一個最高輸出電流為3A的降壓穩壓器，當使用在極性反向拓樸時，無論在任何的輸入及輸出電壓條件下均不能提供3A的電流。圖二所示為設定輸出電壓為負5V時，在各種不同輸入電壓的情況下，可能產生的最大輸出電流。在此設計中使用一個降壓拓樸用的典型穩壓器積體電路，其輸出電流額定為3A。

《圖二　負5V極性反向拓樸中的最高輸出電流與輸入電壓之關係，設計採用典型的3A降壓穩壓器積體電路》

迴路穩定性的考慮

極性反向（降壓/升壓）拓樸的轉移函數（transfer function）包含有一個 right half plane zero，這與升壓拓樸類似，當中能量必需經過兩個步驟才能從輸入轉移到輸出。首先，當電源開關處於導通時，電感器會進行充電並將能量儲存起來，等到開關關閉時再將能量釋放到輸出端。但是降壓轉換器並沒有right half plane zero，因此當電源開關導通時，能量會直接從輸入轉移到輸出。為了獲得一定的迴路穩定性，就必須考慮right half plane zero所帶來的影響。在實際的應用中，假如設計所採用的穩壓器積體電路是原本用在降壓拓樸的，便可能需要進行內部迴路補償，也就是必須加入補償電容器來產生一個穩定的控制迴路。

極性反向設計實例

圖三中的範例電路為穩壓器積體電路之極性反向電路範例。當極性反向拓樸採用一個降壓穩壓器時，穩壓器積體電路的接地會依附系統的輸出電壓，而電感器則被連接到系統的接地電壓。這種設計可以有效地從一個介於5.5V到35V的輸入電壓產生一個負5V的輸出電壓。

《圖三　極性反向（降壓/升壓）電路範例》

多用途的解決方案

誠如文章一開始就提到，很多電子設計都需要使用到負電壓，而一個既簡單又經濟產生負電壓的方法是極性反向（降壓/升壓）拓樸，這種拓樸的最大優點是外部元件用量少，因此成本比較低，而且由於採用的功率級元件較少，再加上很多的降壓穩壓器和控制器電路都很適合實行極性反向（降壓/升壓）拓樸，因而使得功率轉換的效率提高。

---作者為NS美國國家半導體應用工程師---