DC-DC 负电压转换器：反相概述

介绍

电子设备主要使用正电压轨供电;有时，也会使用一些负电压轨。因此，负(或反相)输出 DC-DC 转换器解决方案并不像正输出 DC-DC 转换器解决方案那么常见。然而，当为工厂自动化、楼宇自动化和通信系统中的高性能设备(例如高速 DAC、运算放大器、射频功率放大器、AFE、GaN FET 栅极驱动器和 IGBT 栅极驱动器)供电时，需要负电压轨。

设计人员在寻找负电压解决方案时面临着巨大的挑战，因为大多数传统设备都需要外部电平转换器电路来进行通信。它们还过时、低效、复杂且庞大。本文详细讨论了传统解决方案的缺点，然后研究了一种新型高度集成的器件来解决该缺陷，并提供紧凑、易于使用且高效的负输出 DC-DC 解决方案。

负输出 DC-DC 转换器的挑战

典型的电源系统将其最低电压电势作为接地参考或 GND。对于正输出 DC-DC 输出转换器，接地参考就是 GND(0V 电位)。其输入/输出信号自然以该地为参考。系统控制器使用 I/O 引脚简单直接地与 DC-DC 转换器进行通信。

图 1这个简化的系统原理图仅使用正电压轨。

图 1展示了这样一个系统，其中系统微控制器 (MCU) 驱动转换器的 EN(使能)引脚以打开和关闭转换器。控制器还通过其PGOOD(即RESET)引脚读取转换器的状态，以了解转换器功率输出是否在其调节范围内并准备好为整个系统供电。为简单起见，此处仅显示一个 DC-DC 转换器，但该原理也适用于具有多个正电压轨的系统。

当使用负 DC-DC 时，与系统控制器的通信并非易事。转换器的 I/O 引脚参考其最低电位，在本例中为负输出电压，而不是系统接地 (GND)。使用负电压轨时，设计人员需要为系统 MCU 实现电平转换器电路，以便与 DC-DC 转换器进行通信。图 2显示了具有两个电平转换器的系统的简化原理图。

图 2这个简化的系统原理图使用负电压轨。

同样，为简单起见，此处仅示出了一个负输出 DC-DC 转换器，但该原理适用于具有多个负电压轨或具有正负电压轨混合的系统。每个负输出 DC-DC 转换器的每个 I/O 引脚都需要一个电平转换器。

电平转换器电路很大，给设计人员带来了挑战。此外，传统的负 DC-DC 转换器解决方案复杂且低效，带来了另一个挑战。

挑战 1：电平转换器

图 3显示了典型的电平转换器电路。其目的是移动信号的接地参考以匹配系统 MCU 的接地参考。它在这里用于翻译来自系统 MCU 的 ON 命令以打开/关闭 DC-DC 转换器。该电平转换器由 9 个组件组成。其操作非常简单：当系统控制器将 ON 驱动为高电平时，Q1 导通，进而偏置 Q2，并将 EN 驱动为高电平以启用 DC-DC 转换器。当 ON 被驱动为低电平时，Q1 和 Q2 均关闭，EN 被驱动为低电平以禁用转换器。

图 3典型的电平转换器电路转换来自系统控制器的 ON 命令。

图 4描述了常见的电平转换器电路变化。这里用它来翻译来自DC-DC转换器的PGOOD信号，以便系统微转换器可以读取它。当 DC-DC 转换器将 PGOOD 驱动为高电平(漏极开路)时，Q3 导通，进而对 Q4 施加偏置并驱动 RESET 为高电平，从而使系统 MCU 脱离复位状态。

图 4电平转换器转换来自 DC-DC 转换器的 PGOOD 信号。

这两个电平转换器需要 18 个外部组件，这给试图将解决方案融入不断缩小的设备和电路板空间的设计人员带来了挑战。

挑战二：效率低下

传统的负输出 DC-DC 解决方案效率低下。由于效率低下而产生的额外热量给设计人员带来了另一个挑战，他们现在承担着从系统中消除热量的额外负担。图 5是此类系统的简化电路原理图。

图 5这是异步双电感器反相输出 DC-DC 转换器的简化原理图。

这种拓扑面临两个低效率问题。首先，它采用异步开关，其中输出整流二极管 D1 比同步解决方案消耗更多功率。其次，它有一个额外的功率电感器 L1 和一个额外的电容器 C1，它们也会消耗更多的功率。图 6显示了该转换器在 12V 输入和 -15V 输出条件下测量的效率曲线。其峰值效率仅为 83%，而在 150 mA 输出电流下功耗约为 460 mW。

图 6功率损耗曲线显示了异步双电感器反相输出 DC-DC 转换器的效率。

更小、更高效的负输出 DC-DC 解决方案

MAX17577和MAX17578同步反相DC-DC降压转换器是为了满足工厂自动化、楼宇自动化和通信系统中对更小、更低发热设备日益增长的需求而开发的。该器件集成了电平转换电路以降低组件成本和数量，并采用同步整流以提高效率。图7显示了其典型应用电路。

图7 MAX17579和MAX17580是高度集成、高效的负输出DC-DC转换器。

这些 DC-DC 转换器具有宽输入电压范围。该器件的工作输入电压为 4.5 至 60V，可提供高达 300 mA 的输出电流。借助集成电平转换器，这些器件通过将组件数量减少一半，节省高达 72% 的电路板空间，同时比最接近的传统解决方案能耗减少 35%。

图 8 MAX17577 在 -15V 输出时具有 88.5% 的效率。

图8显示MAX17577的峰值效率为88.5%，在16V输入和-15V/150mA输出条件下测得。与图 6 所示的传统解决方案相比，效率提高了 5.5 个百分点。为什么效率很重要?该器件的效率为 88.5%，功耗仅为 292 mW，同时向负载提供 2.25 W 功率。与之前所示的传统解决方案的 460 mW 相比，292 mW 意味着系统冷却所需的热量减少了 37%。

图 9显示了图 2 的改进版本，消除了电平转换器。系统MCU可以直接与MAX17579/MAX17580通信，即使它们具有不同的接地参考。

图 9该图显示了使用负电压轨的系统中的 MAX17579/MAX17580。

还值得注意的是，这些新解决方案具有较宽的工作电压范围，可以承受和容忍系统电压波动，例如电源浪涌事件、反电动势和电缆电压振铃，从而提高系统可靠性。此外，还有MAX17577和MAX17578，它们属于同一系列，性能相似，但可提供高达1A的输出电流。这些器件非常适合为 RF 功率放大器、GaN FET 栅极驱动器和 IGBT 栅极驱动器供电。

新型高度集成设备

工厂自动化、楼宇自动化和通信系统中的设备对更小解决方案尺寸和更低发热量的要求不断增长，这给寻找负电压 DC-DC 转换器的设计人员带来了巨大挑战，而大多数传统解决方案都过时、低效、复杂且笨重。

具有板载电平转换器、同步整流和宽工作输入电压的新型高度集成器件带来了最紧凑、高效且稳健的负输出 DC-DC 解决方案。