本文以SGM61630為例，系統(tǒng)闡述了將Buck變換器重構(gòu)為反向Buck-Boost變換器的設(shè)計(jì)方法，以生成穩(wěn)定的負(fù)電源軌。本文通過(guò)拓?fù)溥B接調(diào)整、電壓電流應(yīng)力分析和輔助功能設(shè)計(jì)闡述了設(shè)計(jì)流程。最后，設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了24V輸入至-15V/1.5A輸出的可行性。本文為工程師提供了從理論推導(dǎo)到實(shí)踐驗(yàn)證的設(shè)計(jì)流程。

01引言

許多精密系統(tǒng)（如醫(yī)療電子設(shè)備、測(cè)試測(cè)量儀器）需穩(wěn)定的負(fù)電壓供電，同時(shí)要求輸入與輸出共地。反向Buck-Boost變換器可完美滿足這一需求，它不僅能實(shí)現(xiàn)升壓/降壓功能，還可反轉(zhuǎn)輸出電壓極性。通過(guò)調(diào)整功率級(jí)電路的拓?fù)溥B接與反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，任意常規(guī)Buck變換器均可重構(gòu)為反向Buck-Boost變換器。本文以SGM61630為例，詳細(xì)闡述其重構(gòu)方法與設(shè)計(jì)要點(diǎn)。該方案適用于同步整流和非同步整流架構(gòu)的反向Buck-Boost變換器實(shí)現(xiàn)。

02反向Buck-Boost變換器原理

2.1 拓?fù)渲貥?gòu)與連接方式

如圖1所示為Buck變換器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Buck配置中，輸出正極（VOUT）連接到電感器，輸出負(fù)極連接到Buck IC的GND引腳。

反向Buck-Boost拓?fù)渑cBuck拓?fù)浞浅Ｏ嗨疲鐖D2所示為Buck變換器重構(gòu)為反向Buck-Boost變換器的連接方式。由圖2可知，將Buck變換器的輸出正極配置為反向Buck-Boost變換器的系統(tǒng)地（System GND），而“IC GND”變成了輸出負(fù)極（-VOUT），在輸入電源和系統(tǒng)地之間增加了一個(gè)額外的輸入電容CIN。需注意，反向Buck-Boost變換器的連接方式中，IC GND與輸出負(fù)壓直接相連，這會(huì)對(duì)Buck IC引腳的電壓應(yīng)力產(chǎn)生影響，相關(guān)控制引腳外部電路需重新設(shè)計(jì)，詳見(jiàn)“3輔助功能”章節(jié)的說(shuō)明。

圖1 Buck變換器基礎(chǔ)拓?fù)?/p>

圖2 反向Buck-Boost變換器拓?fù)?/p>

經(jīng)過(guò)上述步驟，實(shí)現(xiàn)了反向Buck-Boost變換器的重構(gòu)：MOSFET導(dǎo)通時(shí)，功率二極管截止，電感兩端的電壓應(yīng)力為VIN，電感電流上升，此時(shí)輸出電容COUT給負(fù)載提供能量，如圖3(a)所示；MOSFET關(guān)斷時(shí)，功率二極管導(dǎo)通，電感兩端的電壓應(yīng)力為-VOUT，電感電流下降，此時(shí)電感電流給負(fù)載提供能量，如圖3(b)所示?？傻眠B續(xù)模式時(shí)占空比D為：

圖3 反向Buck-Boost變換器原理

2.2 電壓與電流應(yīng)力分析

將Buck IC配置為反向Buck-Boost變換器需要特別注意電壓要求。由圖2可知，Buck IC的VIN和GND引腳上的電壓差等于電源模塊的輸入電壓加上輸出電壓（VMAX=VIN+VOUT）。例如從+24V的輸入轉(zhuǎn)換到-15V的輸出，需要輸入電壓范圍至少覆蓋39V的Buck IC。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，功率二極管兩端的電壓應(yīng)力同樣為輸入電壓加上輸出電壓（VMAX=VIN+VOUT），功率二極管選型時(shí)需考慮該電壓應(yīng)力。

如圖2所示，跨接于VIN與-VOUT之間的電容CIO承受的電壓應(yīng)力同樣為VIN+VOUT。但值得注意的是，如果VIN是快速上電，在上電瞬間會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流，其路徑為：VIN→CIO→IC GND→功率二極管→電感→System GND。該瞬態(tài)電流對(duì)電路可能產(chǎn)生以下影響：①瞬態(tài)電流流過(guò)功率二極管（或同步Buck IC的體二極管）時(shí)會(huì)導(dǎo)致SW節(jié)點(diǎn)電位被拉低至IC GND以下，對(duì)于SW相對(duì)IC GND的額定電壓較小的器件，這種負(fù)壓瞬態(tài)可能使器件損壞；②瞬態(tài)電流流過(guò)功率電感會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，二極管和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的共同作用使VOUT上存在一個(gè)瞬態(tài)正向電壓。因此，基于上述兩點(diǎn)瞬態(tài)電壓的防護(hù)和Buck IC VIN引腳去耦的折中考慮，建議CIO電容不要太大，一般推薦0.1μF。

Buck變換器配置時(shí)，在MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷期間電感總是向負(fù)載提供電流，因此Buck變換器的平均電感電流等于輸出電流。然而，在反向Buck-Boost變換器配置中，電感上的能量?jī)H在MOSFET關(guān)斷期間通過(guò)二極管傳遞到負(fù)載，兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下電感電流計(jì)算公式如表1所示。

表1 Buck拓?fù)浜虰uck-Boost拓?fù)潆姼须娏鲗?duì)比

由表1可以看出，相同負(fù)載下，反向Buck-Boost變換器的電感電流峰值更大，重構(gòu)時(shí)需注意電感電流峰值不要超過(guò)Buck IC規(guī)格書(shū)中的峰值電流限值。

以SGM61630為例的具體計(jì)算，請(qǐng)參考“4設(shè)計(jì)實(shí)例”章節(jié)的說(shuō)明。

03輔助功能

在反向Buck-Boost變換器配置中，IC GND與輸出負(fù)壓直接相連，由于Buck IC的所有控制信號(hào)電平都參考IC GND，此時(shí)若需在系統(tǒng)中使用這些功能，則需要平移控制信號(hào)參考電平到系統(tǒng)地。

3.1 使能信號(hào)接口設(shè)計(jì)

如果不要求系統(tǒng)控制使能信號(hào)，可將EN引腳通過(guò)電阻上拉到VIN。如果要求系統(tǒng)控制反向Buck-Boost變換器的使能功能，則需要一個(gè)簡(jiǎn)單的電平轉(zhuǎn)換電路，如圖4所示。

圖4 EN電平轉(zhuǎn)換電路

SYS_EN提供足夠高的正向電壓使Q1導(dǎo)通時(shí)，Q2的柵極通過(guò)Q1接地使得Q2的柵源電壓（VGS）變?yōu)樨?fù)壓，從而Q2導(dǎo)通。此時(shí)，輸入電壓（VIN）通過(guò)電阻分壓器連接到EN引腳，從而啟用設(shè)備。需注意，在啟用和禁用兩種狀態(tài)下，須確保Q2的柵漏電壓（VGD）和柵源電壓（VGS）始終處于MOSFET的額定范圍內(nèi)。以SGM61630為例，圖4中設(shè)置REN1=REN2=R1=100kΩ；圖5則展示了系統(tǒng)控制反向Buck-Boost變換器使能和禁用的波形圖，測(cè)試條件為20V輸入，-15V/1.5A輸出。

圖5 反向Buck-Boost變換器使能和禁用波形

如果要求使用EN引腳配置反向Buck-Boost變換器的UVLO，可在EN引腳處設(shè)置電阻分壓器如圖6所示。

圖6 EN分壓電路

開(kāi)啟電壓VSTART保持不變，因?yàn)楫?dāng)反向Buck-Boost變換器啟動(dòng)時(shí)，通常沒(méi)有負(fù)的輸出電壓。

反向Buck-Boost變換器啟動(dòng)后，關(guān)斷電壓VSTOP需考慮負(fù)的輸出電壓：

以SGM61630為例，VENH=1.17V，VENL=1.12V，設(shè)置REN1=430kΩ，REN2=30kΩ，I1=1μA，I2=3.7μA，-VOUT=-15V。則開(kāi)啟電壓為VSTART=17.51V，關(guān)斷電壓為VSTOP=0.15V。

3.2 同步信號(hào)接口設(shè)計(jì)

對(duì)于有SYNC輸入引腳的Buck芯片，如果要求反向Buck-Boost變換器與外部信號(hào)同步，則需要一個(gè)簡(jiǎn)單的電平轉(zhuǎn)換器，如圖7所示。

圖7 同步信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路

SYS_SYNC為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，VIN通過(guò)電阻分壓器（R1、R2）給Q2提供驅(qū)動(dòng)電壓VGS，Q2導(dǎo)通，VIN通過(guò)VIN到-VOUT的電阻分壓器（RSYNC1、RSYNC2）將SYNC引腳拉高。注意，SYNC引腳的最大額定電壓較小，需要添加穩(wěn)壓管ZD1保護(hù)芯片不被損壞?？紤]到功耗影響，VIN到System GND的電阻分壓器的阻值不能過(guò)小，因此在同步頻率較高的場(chǎng)景Q2應(yīng)選擇驅(qū)動(dòng)電荷QG較小的P-MOSFET。

SYS_SYNC為低電平時(shí)，Q1關(guān)斷，隨后Q2關(guān)斷，Q2關(guān)斷后SYNC引腳通過(guò)RSYNC2下拉到-VOUT。由于穩(wěn)壓管ZD1存在結(jié)電容Cj，會(huì)導(dǎo)致同步有效信號(hào)和SW上升沿之間額外的延時(shí)tdelay。（這里不包含芯片本身的電路延時(shí)）。

以SGM61630為例，圖7中設(shè)置R1=499Ω，R2=1kΩ，RSYNC1=1kΩ，RSYNC2=200Ω；這顆Buck IC同步機(jī)制為SW上升沿與SYNC下降沿同步。SYS_SYNC下降沿關(guān)斷Q2，Q2截止后Cj通過(guò)RSYNC2放電。當(dāng)SYNC引腳的電壓由ZD1的穩(wěn)壓值VZ放電至SYNC引腳低電平閾值VSYNC_L時(shí)功率管打開(kāi)，因此造成SW上升沿滯后于SYS_SYNC下降沿，滯后時(shí)間為：

由上式可知，有高頻同步需求時(shí)應(yīng)選擇結(jié)電容較小的穩(wěn)壓管，SGM61630同步波形如圖8所示。

圖8 同步波形

3.3 PG信號(hào)接口設(shè)計(jì)

如果系統(tǒng)不需要反向Buck-Boost變換器提供Power Good（PG）標(biāo)志信號(hào)，可將PG引腳浮空。如果系統(tǒng)需要獲取PG信號(hào)用于向MCU提示輸出電壓已處于規(guī)格范圍內(nèi)，需要將PG標(biāo)志信號(hào)電平轉(zhuǎn)換至系統(tǒng)地，轉(zhuǎn)換電路如圖9所示。

圖9 PG電平轉(zhuǎn)換電路

當(dāng)輸出電壓未完全建立時(shí)芯片內(nèi)部Q3導(dǎo)通，PG下拉至-VOUT，此時(shí)Q1關(guān)斷Q2導(dǎo)通，SYS_PG被下拉到系統(tǒng)地；當(dāng)輸出電壓完全建立后Q3關(guān)斷，PG上拉至-VOUT+VZ，此時(shí)Q1導(dǎo)通，Q2的柵源兩端承受負(fù)壓而關(guān)斷，SYS_PG被上拉到邏輯電平VLOGIC。注意，如果PG引腳的最大額定電壓值較小，當(dāng)VOUT較大時(shí)需要添加穩(wěn)壓管ZD1保護(hù)芯片不被損壞。

以SGM61630為例，圖9中設(shè)置R1=R2=100kΩ，R3=10kΩ；圖10則展示了反向Buck-Boost變換器Power on和Power off時(shí)SYS_PG的波形圖，測(cè)試條件為24V輸入，-15V/0A輸出。

圖10 反向Buck-Boost變換器Power on和Power off波形

04設(shè)計(jì)實(shí)例

本章將基于SGM61630 Demo Board（Buck）[1]進(jìn)行反向Buck-Boost變換器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

4.1 原理圖

反向Buck-Boost變換器的原理圖如圖11所示。

圖11 反向Buck-Boost變換器原理圖

為初步驗(yàn)證該方案的可行性，可以在Buck拓?fù)涞腟GM61630 Demo Board基礎(chǔ)上直接修改連接方式，重構(gòu)為反向Buck-Boost拓?fù)?，如圖12所示。實(shí)際新項(xiàng)目時(shí)需要參照Buck-Boost的PCB Layout注意事項(xiàng)重新布線以獲得最佳性能。

圖12 用Buck Demo直接構(gòu)建反向Buck-Boost變換器的連接方式

注意：

1) 斷開(kāi)原輸入電容C1、C1A和C1B下側(cè)端口與IC GND的連接，重新連接于L1左側(cè)焊盤(pán)(System GND)。重新連線要盡量短，以減小寄生電感對(duì)輸入電壓的影響。

2) Demo板上“VIN”和“VOUT”之間加24V電源；Demo板上“VOUT”和“GND”之間加電子負(fù)載。

3) 將電感更換為22μH。

4.2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

反向Buck-Boost變換器的占空比為：

為便于評(píng)估芯片VIN和SW引腳耐壓以及相關(guān)外圍器件選擇，計(jì)算降壓調(diào)節(jié)器的電壓應(yīng)力VMAX=VIN+VOUT=39V；

為平衡電感體積和變換器效率，選擇電感電流紋波比為0.35，可得電感值為：

在該設(shè)計(jì)實(shí)例中取L=22μH，可得電感電流峰值：

小于SGM61630規(guī)格書(shū)[2]中ILIMT的最小值3.5A。

反向Buck-Boost變換器存在一個(gè)右半平面零點(diǎn)（RHPZ），其在高頻時(shí)會(huì)提高增益和降低相位，對(duì)控制回路的響應(yīng)產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。該設(shè)計(jì)實(shí)例滿載（最惡劣情況）時(shí)右半平面零點(diǎn)頻率為：

為保證足夠的相位裕度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常建議設(shè)置系統(tǒng)的穿越頻率小于RHPZ頻率的1/4。因此需要降低電感來(lái)增加RHPZ頻率，或者增加輸出電容來(lái)減小系統(tǒng)的穿越頻率。特別需要指出的是，在反向Buck-Boost變換器架構(gòu)中，相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的前饋電容需謹(jǐn)慎添加。雖然前饋電容能夠提升相位裕度，但會(huì)同步引起幅頻特性增益曲線上移，這將導(dǎo)致穿越頻率向RHPZ頻率遷移，從而引發(fā)潛在的系統(tǒng)穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。

為滿足系統(tǒng)的穿越頻率小于RHPZ頻率的1/4，在該設(shè)計(jì)實(shí)例中，COUT使用兩個(gè)47μF/25V X5R電容并聯(lián)。

4.3 測(cè)試結(jié)果

圖13 VIN=24V，-15V/1.5A Output，Power On

圖14 VIN=24V，-15V/1.5A Output，Power Off

圖15 24V Input，-15V/0A Output

圖16 24V Input，-15V/1.5A Output

圖17 VIN=24V，-VOUT=-15V，

IOUTfrom 1.5A to 0.7A

圖18 VIN=24V，-VOUT=-15V，

IOUTfrom 0.7A to 1.5A

圖19 VIN=24V，-15V/0A Output，SCP Entry

圖20 VIN=24V，-15V/0A Output，SCP Recovery

05總結(jié)

將Buck變換器重構(gòu)為反向Buck-Boost變換器需遵循以下步驟：

1) 計(jì)算變換器承受的最大電壓：VIN+VOUT。

2) 使用表1計(jì)算最大電感電流。

3) 選擇合適的Buck型IC（滿足電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力要求）。

4) 參考數(shù)據(jù)手冊(cè)確定頻率設(shè)置電阻、反饋分壓器等元件規(guī)格。

5) 評(píng)估是否需要輔助電路或電平轉(zhuǎn)換電路等附加設(shè)計(jì)。

6) 作為初步驗(yàn)證，在Buck現(xiàn)有Demo上按圖12建立連接：

a) 將Buck電路正輸出端重新定義為系統(tǒng)地；

b) 將Buck電路的IC GND節(jié)點(diǎn)作為負(fù)電壓輸出端；

c) 輸入正極保持不變。

7) 實(shí)施設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意：

a) 重點(diǎn)優(yōu)化輸入/輸出電容布線；

b) 確保反饋（FB）信號(hào)路徑質(zhì)量；

c) SW節(jié)點(diǎn)走線應(yīng)盡量短，并遠(yuǎn)離敏感信號(hào)路徑。

參考資料

[1]SG Micro Corp. SGM61630 Demo Board Test Report [EB/OL]. https://www.sg-micro.com/evm-detail/EVKIT-SGM61630.

[2]SG Micro Corp. SGM61630 Datasheet [EB/OL]. (2023-12). https://www.sg-micro.com/rect/assets/2e4aa3c1-fd17-4b20-ac75-892cfe5f2e56/SGM61630.pdf.

附錄

關(guān)于圣邦微電子

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