電子設備主要使用正電壓軌供電。有時，也會使用一些負電壓軌。因此，負輸出DC-DC轉換器解決方案并不像正輸出DC-DC轉換器那樣常見。然而，當為工廠自動化、樓宇自動化和通信系統中的高性能器件（如高速DAC、運算放大器、RF功率放大器、AFE、GaN FET柵極驅動器、IGBT柵極驅動器等）供電時，需要一個負電壓軌。設計人員在尋找負電壓解決方案時面臨著巨大挑戰，因為大多數傳統器件都需要外部電平轉換器電路進行通信。它們也過時、效率低下、復雜且笨重。本文詳細討論了傳統解決方案的缺點，然后研究了新一代高度集成的器件，以解決這一缺陷，并提供緊湊、易于使用且高效的負輸出DC-DC解決方案。

負輸出DC-DC轉換器的挑戰

典型的電源系統具有最低電壓電位作為接地參考或GND。對于正輸出DC-DC輸出轉換器，接地基準僅為GND（0 V電位）。其輸入/輸出信號自然以該接地為參考。系統控制器與DC-DC轉換器簡單直接地與這些I/O引腳通信。圖1顯示了這樣一個系統，其中系統微控制器驅動轉換器的EN（使能）引腳以打開和關閉它。控制器還通過其PGOOD（即RESET）引腳讀取轉換器的狀態，以了解轉換器功率輸出是否在其調節范圍內，并準備好為整個系統上電。為簡單起見，此處僅顯示一個DC-DC轉換器，但該原理也適用于具有多個正電壓軌的系統。

圖1.僅使用正電壓軌的系統簡化原理圖示例。

當使用負DC-DC轉換器時，與系統控制器的通信并非易事。轉換器的I/O引腳以最低電壓電位為基準，在本例中為負輸出電壓，而不是系統GND。使用負電壓軌時，設計人員需要為系統微控制器實現電平轉換器電路，以便與DC-DC轉換器通信。圖1顯示了具有兩個電平轉換器的系統簡化原理圖。

圖2.使用負電壓軌的系統簡化原理圖示例。

同樣，為簡單起見，此處僅顯示一個負輸出DC-DC轉換器。但該原理適用于具有多個負電壓軌或同時使用正負電壓軌的系統。每個負輸出DC-DC轉換器的每個I/O引腳都需要一個電平轉換器。

電平轉換器電路很大，給設計人員帶來了挑戰。此外，傳統的負DC-DC轉換器解決方案復雜且效率低下，帶來了另一個挑戰。

挑戰1：電平轉換器

圖3所示為典型的電平轉換器電路。其目的是改變信號的接地參考，以匹配系統微控制器的接地參考。它用于轉換來自系統微控制器的ON命令，以打開/關閉DC-DC轉換器。該電平轉換器由九個組件組成。其操作非常簡單：當系統控制器將ON驅動為高電平時，Q1導通，進而將Q2偏置導通并將EN驅動為高電平，使能DC-DC轉換器。當導通被驅動為低電平時，Q1和Q2均關斷，EN被驅動為低電平以禁用轉換器。

圖3.典型的電平轉換器電路從系統控制器轉換ON命令。

圖4描述了一種常見的電平轉換器電路變化。這里用于轉換來自DC-DC轉換器的PGOOD信號，以便系統微轉換器可以讀取。當 PGOOD 被 DC-DC 轉換器驅動為高電平（漏極開路）時，Q3 導通，進而偏置 Q4 并將 RESET 驅動為高電平，從而使系統微控制器退出復位狀態。

圖4.電平轉換器轉換來自DC-DC轉換器的PGOOD信號。

這兩個電平轉換器需要 2 個外部元件，這給試圖將解決方案適應不斷縮小的設備和電路板空間的設計人員帶來了挑戰。

挑戰2：效率低下

傳統的負輸出DC-DC解決方案效率低下。由于效率低下而產生的額外熱量給設計人員帶來了另一個挑戰，他們現在面臨著從系統中去除熱量的額外負擔。圖5顯示了這種系統的簡化電路原理圖。

圖5.異步、雙電感反相輸出DC-DC轉換器的簡化原理圖。

這種拓撲面臨兩個低效率問題。首先，它采用異步開關，其中輸出整流二極管D1比同步解決方案消耗更多的功率。其次，它有一個額外的功率電感器L1和一個額外的電容器C1，它們也會消耗更多的功率。圖6顯示了該轉換器在+12 V輸入和–15 V輸出下測得的效率曲線。其峰值效率僅為83%，在460 mA輸出電流下功耗約為150 mW。

圖6.功率損耗曲線顯示了異步、雙電感反相輸出DC-DC轉換器的效率。

更小、更高效的負輸出DC-DC解決方案：

MAX17577和MAX17578是為滿足工廠自動化、樓宇自動化和通信系統中對更小尺寸和低發熱器件日益增長的要求而開發的。這些器件集成了電平轉換電路，以降低元件成本和數量，并采用同步整流以獲得最佳效率。這些是業界尺寸最小、效率最高的同步反相DC-DC降壓轉換器。圖7顯示了它們的典型應用電路。

圖7.高度集成、最高效的負輸出DC-DC轉換器。

MAX17577和MAX17580具有較寬的輸入電壓范圍。這些器件采用4.5 V至60 V輸入供電，可提供高達300 mA的輸出電流。這些器件采用集成電平轉換器，可將元件數量減少一半，同時比最接近的傳統解決方案節省 72% 的能耗，從而節省高達 35% 的電路板空間。圖8顯示了MAX17577在88 V輸入和–5 V/16 mA輸出時測得的峰值效率為15.150%。與圖 5 所示的傳統解決方案相比，效率提高了 5.6%。為什么效率很重要？效率為88.5%，該器件功耗僅為292 mW，同時為負載提供2.25 W功率。與前面所示的傳統解決方案的 292 mW 相比，37 mW 意味著系統冷卻的熱量減少了 460%。

Figure 8. MAX17579’s efficiency at –15 V output.

Figure 9 shows an improved version of Figure 2, eliminating the level shifters. The system microcontroller can communicate directly with MAX17579/MAX17580 even though they have different grounding references.

圖9.MAX17579/MAX17580采用負電壓軌的系統。

還值得注意的是，這些新解決方案具有寬工作電壓范圍，可以承受和容忍系統電壓波動，例如電涌事件、反電動勢和電纜電壓振鈴等。并提高系統可靠性。此外，還有MAX17577和MAX17578，它們屬于同一系列，性能相似，但可提供高達1 A的輸出電流。這些設備是 非常適合為射頻功率放大器、GaN FET 柵極驅動器、IGBT 柵極驅動器等供電。

結論

工廠自動化、樓宇自動化和通信系統中的設備對更小解決方案尺寸和更低發熱的需求不斷增長，這給尋求負電壓DC-DC轉換器的設計人員帶來了巨大的挑戰，因為大多數傳統解決方案已經過時、效率低下、復雜且體積龐大。具有板載電平轉換器、同步整流和寬工作輸入電壓的新型高度集成器件帶來了最緊湊、高效和穩健的負輸出DC-DC解決方案。

作者

通惠

Anthony T. Huynh（又名Thong Anthony Huynh）是ADI公司應用工程技術人員（MTS）的主要成員。他在設計和定義隔離和非隔離開關電源和電源管理產品方面擁有 20 多年的經驗。在ADI，他定義了100多種電源管理產品，包括DC-DC轉換器、熱插拔控制器、以太網供電以及世界領先制造商采用的各種系統保護IC。Anthony在電力電子領域擁有四項美國專利，并撰寫了多篇該領域的公開文章和應用筆記。他擁有俄勒岡州立大學電氣工程學士學位，并已完成所有碩士學位課程。 波特蘭州立大學電氣工程學位，他還在那里 作為兼職講師教授電力電子課程。


審核編輯黃宇