降壓轉換器產生負電壓之探討

智慧工業與製造的應用環境中，常需要透過環境感測器回饋大數據給系統做判斷與修正，在這些類比的訊號如溫度、濕度等等會需要正負電源偏壓的感測器電路來做檢測來避免數據失真。

在系統電源設計中欲產生負電壓大部分需要使用變壓器，使電路運用上較為不便，因此負電壓比較不容易取得。為了讓負電壓的取得較為容易，降壓轉換器輸出端反接而轉變成為升降壓轉換器特性，得到輸出負電壓。

本文將探討降壓轉換器輸出端反接，其產生負輸出電壓前有哪些注意事項，以及分析轉換器電路差異。

 

1. 如何產生負電壓

電壓的大小是相對於選擇的參考電壓而言，而電路中負電壓是參考較低的電壓，當實際電壓低於參考點時，電壓為負值。最普遍的參考零點是大地，也就是零伏特。另一種情況是當選擇的電壓參考方向和電流參考方向相反時，電壓也會為負值。

以下將簡單介紹兩個基本的電源轉換器拓樸，如圖 1與圖 3及說明為何降壓轉換輸出反接的過程說明。

圖 1為基本的降壓轉換器電路拓樸。

圖 2 將降壓轉換器輸出反接說明，由於將接地移至原先V_O正端的位置，因此輸出端電路架構被迫改變。

圖3    是圖2將接地接回到V_O負端的位置，此時內部元件更動位置後，架構與基本的升降壓轉換器電路拓樸相同，另外由於電流的流向與預設位置不同，因此輸出電壓極性相反。

 

2. 輸入電壓漣波

將一顆降壓轉換器輸出正負端反接時，由於電路內部的架構被迫改變，造成輸入濾波電容形同斷路，導致輸入電壓漣波大兩到三倍。以下使用電感規格15uH、開關頻率450kHz的降壓轉換器做實驗。

圖4為是降壓轉換器正常操作時且輸入電壓15伏特V、輸出負載電流0.3安A，其中輸入漣波電壓80mV(峰對峰值)培的量測波形。

圖 5

為降壓轉換器輸出正負反接且輸入電壓15伏特V、輸出電流0.3安A，其中輸入漣波電壓256mV(峰對峰值)。

 

3. 輸出電壓範圍與電感的關係

上述提到降壓轉換器輸出正負端反接時擁有升降壓轉換器特性的，但由於兩者特性不同，代表當開啟與關閉時的di/dt不同。降壓轉換器直接轉升降壓轉換器會使流經電感的電流值瞬間拉高，造成電感值不足而無法提供能量，因此反接時建議維持在一半輸出負載電流以下操作，否則電路會產生共振現象而造成電流忽大忽小。

圖 6為降壓轉換器正常操作且輸入電壓15V、輸出負載電流0.6A的電感電流量測波形其中di/dt為200KA/s。

 

圖 7 為降壓轉換器輸出正負反接且輸入電壓15V輸出負載電流0.6A的電感電流量測波形di/dt為1.014M A/s。

 

4. 允許耐壓範圍

耐壓不同最大的影響在於對電路的輸入與輸出電壓及內部元件的耐壓值。當一個輸入電壓範圍15伏特~32伏特，輸出電壓12伏特的降壓轉換器，一旦輸出正負端反接後，內部元件跨壓會快速增加而造成永久性毀損，為了避免此問題發生，設計上將會減少輸入電壓範圍。一般最大輸入出32伏特的電路的功率電晶體元件耐壓約35伏特，如果將輸出正負端反接而輸入最大電壓35伏特電路就會燒毀，因此啟動前必須注意輸出反接後最大輸入電壓範圍。

以最大輸入電壓32伏特輸出電壓12伏特為例，輸出正負端反接後的最大輸入電壓只能20伏特。以下量測降壓轉換器正常操作輸入電壓波形及反接時開關的耐壓。

圖 8為降壓轉換器正常操作且輸入電壓32V時，功率電晶體的V_DS 耐壓為33.6V。

圖 9 為降壓轉換器輸出正負反接且輸入電壓20V時V_DS 耐壓為36V。

由此次實驗得知正常操作時的可允許輸入電壓範圍會較大，由圖128可見正常操作時，輸入電壓32V時V_DS為33.6V；圖149可見反接操作時，輸入電壓20V時V_DS就已經達到36V，因此在作反接輸出時必須注意內部元件的耐壓值。

 

5. 效率

由於降壓轉換器輸出正負端反接時的輸入電流會大於正常操作下的輸入電流，因此反接輸出時的效率相對於正常操作的情況下會比較差。

表格 1為降壓轉換器正常操作的量測數據。

表格 1

Vin	Iin	Vout	Iout	η
15V	0.8237A	11.96V	0.9997A	0.9676
20V	0.628A	11.977V	0.9997A	0.9532

表格 2為降壓轉換器輸出正負反接的量測數據。

表格 2

Vin	Iin	Vout	Iout	η
15V	0.9022A	-11.99V	0.9997A	0.8857
20V	0.6598A	-11.99V	0.9997A	0.9083

 

6. 結論

    將一顆現成的降壓轉換器直接做輸出正負端反接，產生輸出負電壓是可行的，但在使用上也有需要特別注意的地方，但需要注意事項非常多例如因為電感電流漣波變大造成效率的額外損失也使得輸入輸出的漣波變大，其中有輸入電壓漣波會變大、輸出負載電流不要超過半載和轉換效率較差等。另外最重要的是，在相同的輸入電壓下將降壓轉換器輸出反接使用成為升降壓型轉換器，會造成其內部元件所受到的電壓應力大不相同，因此將導致可操作的輸入電壓範圍將視當下實際輸入與輸出的設定電壓和而縮減。

 

 

 

 

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