目前在電子系統(tǒng)中有諸如溫度、壓力、位置、重量和流量等物理參數(shù)的精確測量，這些信號中的一些傳感器和前置放大器需要正負(fù)電壓源驅(qū)動或供電，以提供足夠?qū)挼膭討B(tài)范圍和抗干擾性；一些手持設(shè)備的LCD顯示屏也需要一個負(fù)的偏壓。這些電子系統(tǒng)通常使用12V或24V的直流電源供電，所以必須使用一個直流變換器從正的電源得到一個負(fù)的電壓，滿足系統(tǒng)的要求。在本文中將討論各種負(fù)壓變換器各種拓樸結(jié)構(gòu)及工作原理，并比較它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從而為電子工程師提供一些設(shè)計的指導(dǎo)。
1 Buck-Boost變換器
基本的Buck-Boost變換器的結(jié)構(gòu)見圖1所示。主開關(guān)管在輸入側(cè)的高邊，與Buck變換器相同；二極管在輸入側(cè)的高邊，與Boost變換器相同，因此這種結(jié)構(gòu)稱為Buck-Boost變換器。但注意到：二極管的方向與Boost變換器的二極管的方向相反，因此輸出得到是負(fù)電壓。在開關(guān)周期開始時，主開關(guān)管導(dǎo)通，電感激磁，電感的電流線性上升。二極管由于承受負(fù)電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)，此時，輸出的負(fù)載電流由輸出的大電容維持。主開關(guān)管關(guān)斷后，二極管導(dǎo)通，電感去磁，電感的電流線性降低，到下一個周期主開關(guān)管又導(dǎo)通；同時，存儲在電感的中的能量向輸出負(fù)載傳輸能量。
圖1：基本的Buck-Boost變換器
輸出電壓為：
其中，
從公式可以得到：輸出電壓的絕對值可以大于或少于輸入電壓。由于在主開關(guān)管導(dǎo)通期間，輸入電壓不向輸出負(fù)載傳輸能量，輸出的負(fù)載電流完全由輸出的大電容維持，因此輸出的紋波電壓大，噪聲大。由于后級的信號處理模擬電路對電源的紋波電壓要求高，因此使用這種結(jié)構(gòu)時，通常在變換器的后面再加一個由于高性能的線性穩(wěn)壓器，以抑止其輸入側(cè)帶入的噪聲和紋波。
2 CUK變換器
CUK電路采用雙電感結(jié)構(gòu)，可以克服Buck-Boost變換器輸出紋波大的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)低的輸出紋波。CUK變換器的結(jié)構(gòu)見圖2所示。
圖2：CUK變換器
在開關(guān)周期開始時，主開關(guān)管導(dǎo)通，電感L1和L2同時激磁，電感的電流線性上升。二極管由于承受負(fù)電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)。主開關(guān)管關(guān)斷后，二極管導(dǎo)通，電感L1和L2同時去磁，電感的電流線性降低，到下一個周期主開關(guān)管又導(dǎo)通；注意到在開關(guān)管開通過程中，電感L2存儲能量，在開關(guān)管關(guān)斷的過程中，存儲在電感L2中的能量輸出給負(fù)載，因此輸出電壓紋波小。輸出電壓為：
從公式可以得到：輸出電壓的絕對值可以大于或少于輸入電壓。CUK變換器需要雙電感，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，成本也增加，同時效率降低。此外，開關(guān)管流過兩個電感的激磁電流，電流的應(yīng)力大。若使用使用耦合電感，在同樣的磁化電感的條件下，電流紋波減小一半。CUK電路適合于對輸出電壓紋波有較高要求的應(yīng)用。
注意到，耦合電容在主功率回路中，流過高頻的大電流，所以要選用低ESR/ESL的X5R/X7R陶瓷電容。在主開關(guān)管導(dǎo)通時，耦合電容的電流與輸出的負(fù)載電流相同，因此可以通過下式來計算：
圖3：基于CUK的充電泵變換器
由于使用單電感結(jié)構(gòu)，成本低，但輸出的電壓紋波變大。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于由于輸入結(jié)構(gòu)和Boost相同，功率管的S極接地，因此可以直接使用N溝道的MOSFET，驅(qū)動簡單；同時電流取樣可以放在低邊，也簡化的設(shè)計，而Buck-Boost Buck變換器沒有這種特點(diǎn)。
注意到，若對負(fù)輸出作調(diào)節(jié)，參考電壓的選取有二種方式：一是控制器可以提供一個負(fù)的參考電壓。若控制器不能提供負(fù)的參考電壓，就必須外加一個運(yùn)放作反饋電壓的轉(zhuǎn)化，如圖4(a)所示，外部的運(yùn)算放大器接為反相放大器，其中，
(a) 利用外部放大器
(b) 利用內(nèi)部放大器
圖4：負(fù)輸出電壓的反饋設(shè)計
有些控制器將電壓反饋的誤差放大器的同相端和反相端都引出，如圖4(b)所示，同時提供一個正的參考電壓。此時，若要輸出負(fù)電壓，可以將放大器的反相端接地，同相端在外部通過一個電阻接到正的參考電壓，并且通過另一個電阻接到負(fù)輸出端，即可以得到負(fù)的輸出電壓。由放大器的工作原理，運(yùn)放的同相端的電壓必須為0，同時流入同相端的電流為0，所以：
同相端的電壓為：
當(dāng)輸出電流增加，輸出的電壓絕對值
圖5：多路負(fù)輸出
有些應(yīng)用需要雙路多路的負(fù)輸出電壓如-5V、-12V、-15V及-24V等，為了降低成本，可以對輸出電流最大的一路使用CUK變換器，而對其它的輸出采用在輸出電感加耦合繞組的方法獲取，如圖5所示。這種方式成本低，但效率也較低。
由于只能對其中的一路作輸出調(diào)節(jié)，因此對于其它的輸出，如果輸出精確要求不是很高，可以在輸出加穩(wěn)壓管得到需要的電壓。如果輸出精確要求較高，可以在輸出加線性穩(wěn)壓器。
注意到CUK電路的左邊和Boost變換器相同，因此在有升壓Boost變換器的系統(tǒng)中，可以基于Boost變換器，額外的加一個電感、二極管和耦合電容，配置成CUK電路，得到一路負(fù)壓。通常Boost變換器處于反饋調(diào)節(jié)，那么，沒有反饋調(diào)節(jié)的CUK就可以通過改變電感的匝數(shù)并在后面加穩(wěn)壓管和線性穩(wěn)壓器得到需要的電壓。
圖6：Boost正輸出和CUK負(fù)輸出
3 以負(fù)電壓為地的Buck變換器
基于通用的Buck變換器也可以得到負(fù)電壓。可以設(shè)想：通用的Buck變換器的輸入輸出是以地為基準(zhǔn)，所以輸入輸出都為正。如果將控制器的地以負(fù)電壓的基準(zhǔn)，而輸出的正端為地，那么，輸入電壓和輸出的地對于負(fù)電壓的基準(zhǔn)，就都為正。
圖7：基于Buck變換器負(fù)變換器
與通用的Buck變換器不同的是，通用的Buck的輸出電流是直流值，而這種結(jié)構(gòu)的輸出電流是方波，其峰峰值大于輸出的電流值。而且輸出電壓的紋波和輸出電容的紋波電流也遠(yuǎn)大于通用的Buck變換器。必要的話，可以在其輸出加一級的LC濾波器。這種變換器有兩種工作模式：不連續(xù)的DCM和連續(xù)CCM。不連續(xù)的DCM的反饋容易設(shè)計，可用較小的電感值，但開關(guān)管中的峰值電流大，因此對于同樣額定電流的開關(guān)管，所得到的輸出電流小。如果輸出的負(fù)載電流大，要選用CCM模式，用大的電感值。
通用的Buck變換器續(xù)流二極管流過負(fù)載電流，在起動和輸出過載時，也不會產(chǎn)生大電流。而這種負(fù)變換器在起動和過載時，二極管的平均遠(yuǎn)大于正常工作的電流，特別是在CCM工作模式下，必須用較大的電流額定值。
基于通用的Buck變換器也可以配置為負(fù)輸出的SEPIC電路，如圖8所示。
圖8：基于Buck的負(fù)輸出SEPIC電路
圖中上部為通用的Buck變換器，得到可以調(diào)節(jié)的精確的正輸出電壓。下部通過耦合電感及耦合電容得到負(fù)的輸出，注意圖中所示的耦合電感的極性。事實(shí)上，耦合電感就是變壓器，類似于反激電路的方式得到負(fù)的輸出電壓。加入耦合電容C1，就變?yōu)?SPAN lang=EN-US>SEPIC電路，從而提高輸出的調(diào)節(jié)性，降低電感紋波。同樣，負(fù)輸出由于沒有反饋調(diào)節(jié)，通過改變耦合電感的匝數(shù)和加穩(wěn)壓管或線性穩(wěn)壓器的方法得到穩(wěn)定的負(fù)輸出。
4 Flyback反激變換器
通用的反激變換器由于使用變壓器，通過光耦調(diào)節(jié)可以得到完全隔離的輸出，而且由于輸出繞組浮空，因此可以任意的接為正輸出或負(fù)輸出電壓。反激變換器增加一個繞組和一個二極管就可以增加一路的輸出，因此非常容易得到多路的輸出，而且成本低。其工作原理和結(jié)構(gòu)在本文中就不作詳細(xì)的介紹。
