反极性Buck-Boost电路的工作过程

在非隔离电源方案中，基础拓扑的Buck、Boost、Buck-Boost电路中，前两种已经在前面章节进行了详细描述。很多工程师对Buck和Boost电路都特别熟悉，只是对Buck-Boost不熟悉，这是因为现在电路设计中，以数字电路为主，不论是升压还是降压，一般都是以正压为主。而Buck-Boost虽然这个拓扑可以降压也可以升压，但是产生的是一个负压，例如：输入电压为12V，输出电压为-5V。

因为我们把第三种可以生成负压的基本拓扑称为Buck-Boost，同时日常工作中，我们还会把其他可以实现升降压的电路称为Buck-Boost，例如Buck电路和Boost电路级联在一起实现可以升降压的电路也称为Buck-Boost，所以经常给大家造成困扰。有些书籍会把这个拓扑结构称为“反极性Buck-Boost”，也有的书籍把这个基本电路称为反激“Fly-Back”(容易与隔离的反激电路混淆)，为了避免混淆，本书把第三种基本拓扑电路也称为“反极性Buck-Boost”。

1.1 反极性Buck-Boost电路的工作过程

反极性Buck-Boost主要应用在OLED驱动、音频等领域，与Buck、Boost一样，反极性Buck-Boost也是由基本的开关、二极管和电感组成，如图7.1所示。

降压-升压(Buck-Boost)转换器将输入电压Vin的正直流电压转换为输出端的负直流电压Vout。当功率管Q1闭合导通时，电流的流向如图7.2所示。

此时，输入电压Vin，电感L直接接到电源两端。输入电压对电感直接进行充电，电感电流逐渐上升。导通瞬态时di/dt很大，故此过程中主要由输入电容Cin供电。此时Q1相当于短路，电感L两端的电压为Vin。输出端，Cout依靠自身的放电为RL提供能量。由于Q1是导通的，所以二极管D1的两端电压分别是Vin和Vout，由于Vout是负值，Vin是正值，所以D1是反向截止的，等同于断开。

当功率管Q1关断时，电流的流向见图7.3。输入端Vin给输入电容充电。输出端Vout，由于电感的电流不能突变，电感通过续流管D1给输出电容Cout及负载RL供电。由于电感的电流流向不变，电感即给电容充电，同时也为负载RL供电，电流的流向为：负载电阻→肖特基二极管→L1上端。RL的下端是GND，也就是电压为0V，RL的电流方向为从下往上，根据电流的流向RL的上端电压Vout比其下端更低，是一个负值。

根据上面公式就可以看出：当占空比小于50%时，输出为降压;当占空比大于50%时，输出为升压。

随着电子技术的提高，以及电子产品的发展，一些系统中经常会需要负电压为其供电。例如，在大功率变频器，会使用负电压为IGBT提供关断负电压;另外，在系统的运算放大器中，也会使用正负对称的偏置电压为其供电。如何产生一个稳定可靠的负电压已成为设计人员面临的关键问题。

负电压设计根据不同的负载电流有很多不同方案，以下是给出几种目前市面比较常见的负压方，可以根据不同用于场合使用合适的方案。

一、工频变压器输出正负电压

各位看到图1的电路是否有很强的亲切感，是否能想起大学时接触电子设计时的情景?此经典电路优点比较明显，电路结构简单、极低干扰噪声、稳定性好;同时此电路也有缺点，输入交流电范围窄(一般是220VAC±5%)，体积重量大;虽然此电路缺点明显目前还有一些应用采用此方案设计。此方案主要是利用变压器产生负电压在通过线性稳压器7905进行稳压。

二、电源模块输出负电压

由于电子元件制造工艺技术越来越好，能量损耗越来越低，这样一来越来越有利于电源的模块化发展。而且在设计上也能做到小型化，轻型化设计。

1、非隔离负压输出负电压

如图3所示，此电源模块应用与常用的LM7805类似，而且不需要安装散热片。如上图，我们需要正负电压给运放等供电时，只需要两个ZY78xxS-500电源即可实现。

2、隔离电源模块输出正负电压

在电力、工业、通讯等对抗干扰性能要求较高的场合，一般需要对电源进行隔离处理来隔离从总电源端的干扰。此种应用时如果需要用到负电压，可以直接采用隔离电源模块直接输出正负电压给系统供电。

三、Buck-Boost拓扑设计输出负电压

除了采用隔离模块方案，我们还可以选择芯片自己设计负压电路，此处我们介绍一下较容易设计的非隔离负压输出Buck-Boost电路。如图6此电路只需要主控芯片、电感、电容等芯片，目前MPS的DC-DC电源芯片都支持Buck-Boost的设计结构，可以根据不同输出电流选择合适型号。

拓扑中可以看出输入电压与输出电压极性是相反的，因此Buck-Boost拓扑结构又简称为倒相拓扑。图7是采用MP2359DT设计的-15V电源电路，MP2359DT是采用SOT23-6的封装，整个电路占用PCB面积较小。

负电压设计方案多种多样，哪一个方案适合你的设计，还是需要综合考虑不同应用、不同技术要求而定。