关于反相降压－升压转换器的所有信息

基于电感器的开关模式电压转换是电路设计人员的一项基本技术。它使我们能够通过高效且紧凑的电路实现降压和升压调节，而不会在过程中引入过多的复杂性。

我在之前的文章中介绍了降压和升压稳压器，今天我们将了解另一种基本开关稳压器拓扑：反相降压-升压转换器。

当我在这种情况下使用“基本”一词时，我指的是由输出电容以及一个电感器、一个开关和一个二极管组成的电路。我现在提到这一点是为了解释为什么本文仅介绍反相降压-升压架构，而不包括四开关降压-升压架构。

反相降压-升压转换器的基本布局如下图 1 所示。该电路接受正输入电压并产生负输出电压，该电压可以大于或小于输入电压。

  
图 1.反相降压-升压转换器的通用拓扑。

现在是我在 LTspice 中创建一个实现的时候了。

想在深入研究之前回顾一下基础知识吗？阅读“什么是开关稳压器？”，回顾与 DC-DC 转换器相关的一般概念。

LTspice电路设计

虽然这次我不会逐步引导您完成原理图设计过程，但我想简要评论几个方面。

对于我的降压转换器原理图，我采用了一种正式方法，其中借助公式和性能规格来确定元件值。对于升压转换器，我更多地研究示例电路，并优先考虑维持合理电感器尺寸的实际目标。

不过，对于这个降压-升压转换器，我依靠直觉并辅以反复试验。开关模式电源 (SMPS) 功率级的设计有多种方法。公式和数据表建议是一个很好的起点，但不要害怕尝试。

请务必仔细检查您的工作。起初，LTspice 无法成功运行该电路的仿真，我终意识到电流源指向了错误的方向！请记住，反相降压-升压电路的V OUT为负，因此负载电流从接地节点向上流动。

我的降压-升压原理图的终版本如图 2 所示。我们将首先使用它来检查反相降压-升压转换器的基本操作，然后进行模拟以进行更详细的分析。

 
图 2.在 LTspice 中实现的反相降压-升压转换器。

反相降压-升压转换器的基本操作

与之前的转换器拓扑一样，我们将在两个不同的操作阶段分析降压-升压转换器：当开关传导电流时（接通状态），以及当开关阻塞电流时（关断状态）。我们将从开启状态开始。

开启状态

图 3.接通状态下流经降压-升压转换器的电流。

图 3 显示了开关导通状态下电流通过电路的路径： 当开关导通时，电流从输入电源流经电感器，然后流至地。

该图显示了在接通状态下流过反相降压-升压转换器的电流。

电感器正在充电——其电流正在上升。同时，负载电流完全由输出电容器提供，我们假设输出电容器已经充电至输出电压。它向上流动，因为V OUT为负，因此低于地电位。当我们讨论关断状态时，我们将了解为什么输出电容器充电到负电压。

由于V OUT为负且电感器上端子处的电压约等于V IN，因此二极管反向偏置。然而，由于涉及电压极性，电流自然会从输入侧流向输出侧。二极管的方向可以防止这种情况发生。

关闭状态

 
图 4 显示了关断状态下电流的路径。

该图显示了在关断状态下流过反相降压-升压转换器的电流。

图 4.关断状态下流经降压-升压转换器的电流。

当开关打开时，电感器尝试保持一致的电流。这导致其上端子处的电压下降，直到二极管正向偏置。一旦二极管导通，电感器就充当负载电流的能源；它还通过电容器吸取电流，使得电容器上端子处的电压必须低于接地电压。电容器充电至负电压，V OUT变为负值。