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利用buck芯片生成负电压电源轨

文章内容主要参考TI的AN,少许自己的一些看法。

将buck芯片外部电路连接稍加改动,buck芯片也可以如buck-boost芯片一般配置成输出负压的inverting电路形式。具体连接如下图所示,

此时,芯片同步整流MOSFET的源端(或者外接续流二极管的正极),以及芯片的接地引脚(AGND, PGND etc.)成为负压输出端。功率电感的输出端直接接地。输出电容还是如buck电路一般跨接在输出功率电感和续流二极管之间。输入滤波电容则需要跨接在电源输入和输出功率电感端。

对电路性能参数的影响:

  1. 由于原来的芯片地变成了负压输出端,芯片的耐压值和最大输入输出的关系变为\(V_{in\_max}+|V_o|<=V_{IC\_max}\),式中,\(V_{IC\_max}\)为芯片耐压限值。
  2. 占空比和输入输出的关系,依据电感电流平衡法,不难得到:\(D=\frac{|V_o|}{V_{in}+|V_o|}\)
  3. 大部分芯片基于电感峰值电流检测法来实现过流保护以及回路补偿等,buck芯片原先工作于CCM模式,平均输出电流就等于流过电感的平均电流。电路改为inverting模式后,输出电流不再连续(虽然流过电感的电流仍然连续)。从输出回路看,仅在同步整流器件导通的时间段内电感电流才给负载供电,其时间占比为\(1-D\),其中\(D\)为buck芯片工作时的占空比。由此可得最大输出电流和芯片规格的关系: \(I_{max}<I_{ic\_max}\times\frac{V_{in\_min}}{V_{in\_min}+|V_o|}\)
  4. 为了芯片稳定工作而配备的芯片退耦电容现在跨接在输入输出端,间接成为了输入到输出的高频通路。同时,芯片的地电流也构成了输入输出的通路。
  5. 反馈电阻的设定。因为芯片的参考地变成了输出负电压端,而原来的输出端成为了系统地,输出和反馈电阻的关系为:\(|V_o|= V_{REF}\times\frac{R_1+R_2}{R_2}\)

需要指出的是,在芯片自身看来,它仍然工作于buck模式(CCM 或者DCM),只不过名义输入电压变为\(V=V_{in}+|V_o|\),名义输出电压为\(|V_o|\)。熟悉了之后,我们完全可以按名义输入输出关系来设计一款”buck”电路(需要注意输出电流能力的变化)。这也是这款电路的另一好处,无需过多考虑环路稳定性和补偿问题。

reference:

1.creating an inverting power supply using peak current mode buck converter, TI – SLVAE10

2.using a buck converter in an inverting buck-boost topology, TI

 

设计实例

设计目标:设计一款锂电池供电的负电压产生电路,输入由四节串联的锂电池供电,输入电压范围定为12V~17V,输出电压为-15V,输出最大电流500mA。芯片选用LMR36015,工作频率为1MHz。

电感选择,如若芯片能稳定工作在CCM以及DCM模式(或者芯片可以动态调节开关频率),则感量的选择多依据纹波电流占最大输出平均电流的百分比来确定,如若不想让芯片工作在DCM模式,则可以依据电路最小负载电流确定感量最小值。这里假设最小负载电流为50mA,通过前面的换算公式,此时流过电感电流的最大值和负载电流关系为

\(i_o=\frac{i_p(1-D)}{2}\)

由伏秒平衡,我们还有,

\(i_p=\frac{|V_o|(1-D)T}{L}\)

求得最小电感值要求为,

\(L_{min}\ge\frac{V_o(1-D)^2T}{2i_o}\)

上式右侧式子在D取最小值时达到最大值,也就是符合各种输入条件要求的最小感量,带入计算得\(L_{min}=42.3uH\),取标准值47uH.

输出电容的选取涉及电源的瞬态响应需求,纹波需求,这里我们参考芯片规格书的建议,选择三个22uF的电容并联作为输出电容。具体容量可以依据后续测试来调整。

输入电容,规格书里面讲的很详尽,这里我们设计选取两颗4.7uF陶瓷电容,两颗100nF陶瓷电容,以及一颗220uF电解电容。

为了满足系统对电源噪声,纹波更苛刻的需求,我们还可以在DC-DC的输出端再串接一级线性稳压级。选择PSRR频率上限高的LDO或者三端稳压器有利于抑制DC-DC的噪声成分。

 

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