基于電感器的開關模式電壓轉換是電路設計人員的一項基本技術。它使我們能夠通過高效且緊湊的電路實現降壓和升壓調節，而不會在過程中引入過多的復雜性。

我在之前的文章中介紹了降壓和升壓穩壓器，今天我們將了解另一種基本開關穩壓器拓撲：反相降壓-升壓轉換器。

當我在這種情況下使用“基本”一詞時，我指的是由輸出電容以及一個電感器、一個開關和一個二極管組成的電路。我現在提到這一點是為了解釋為什么本文僅介紹反相降壓-升壓架構，而不包括四開關降壓-升壓架構。

反相降壓-升壓轉換器的基本布局如下圖 1 所示。該電路接受正輸入電壓并產生負輸出電壓，該電壓可以大于或小于輸入電壓。

  
圖 1.反相降壓-升壓轉換器的通用拓撲。

現在是我在 LTspice 中創建一個實現的時候了。

想在深入研究之前回顧一下基礎知識嗎？閱讀“什么是開關穩壓器？”，回顧與 DC-DC 轉換器相關的一般概念。

LTspice電路設計

雖然這次我不會逐步引導您完成原理圖設計過程，但我想簡要評論幾個方面。

對于我的降壓轉換器原理圖，我采用了一種正式方法，其中借助公式和性能規格來確定元件值。對于升壓轉換器，我更多地研究示例電路，并優先考慮維持合理電感器尺寸的實際目標。

不過，對于這個降壓-升壓轉換器，我依靠直覺并輔以反復試驗。開關模式電源 (SMPS) 功率級的設計有多種方法。公式和數據表建議是一個很好的起點，但不要害怕嘗試。

請務必仔細檢查您的工作。起初，LTspice 無法成功運行該電路的仿真，我終意識到電流源指向了錯誤的方向！請記住，反相降壓-升壓電路的V OUT為負，因此負載電流從接地節點向上流動。

我的降壓-升壓原理圖的終版本如圖 2 所示。我們將首先使用它來檢查反相降壓-升壓轉換器的基本操作，然后進行模擬以進行更詳細的分析。

 
圖 2.在 LTspice 中實現的反相降壓-升壓轉換器。

反相降壓-升壓轉換器的基本操作

與之前的轉換器拓撲一樣，我們將在兩個不同的操作階段分析降壓-升壓轉換器：當開關傳導電流時（接通狀態），以及當開關阻塞電流時（關斷狀態）。我們將從開啟狀態開始。

開啟狀態

圖 3.接通狀態下流經降壓-升壓轉換器的電流。

圖 3 顯示了開關導通狀態下電流通過電路的路徑： 當開關導通時，電流從輸入電源流經電感器，然后流至地。

該圖顯示了在接通狀態下流過反相降壓-升壓轉換器的電流。

電感器正在充電——其電流正在上升。同時，負載電流完全由輸出電容器提供，我們假設輸出電容器已經充電至輸出電壓。它向上流動，因為V OUT為負，因此低于地電位。當我們討論關斷狀態時，我們將了解為什么輸出電容器充電到負電壓。

由于V OUT為負且電感器上端子處的電壓約等于V IN，因此二極管反向偏置。然而，由于涉及電壓極性，電流自然會從輸入側流向輸出側。二極管的方向可以防止這種情況發生。

關閉狀態

 
圖 4 顯示了關斷狀態下電流的路徑。

該圖顯示了在關斷狀態下流過反相降壓-升壓轉換器的電流。

圖 4.關斷狀態下流經降壓-升壓轉換器的電流。

當開關打開時，電感器嘗試保持一致的電流。這導致其上端子處的電壓下降，直到二極管正向偏置。一旦二極管導通，電感器就充當負載電流的能源；它還通過電容器吸取電流，使得電容器上端子處的電壓必須低于接地電壓。電容器充電至負電壓，V OUT變為負值。