電子設備主要使用正電壓軌供電;偶爾也會使用一些負電壓軌。因此，負(或反相)輸出 DC-DC 轉換器解決方案不如正輸出 DC-DC 轉換器解決方案常見。然而，當為工廠自動化、樓宇自動化和通信系統(tǒng)中的高性能設備(例如高速 DAC、運算放大器、RF 功率放大器、AFE、GaN FET 柵極驅動器和 IGBT 柵極驅動器)供電時，需要負電壓軌。
設計人員在尋找負電壓解決方案時面臨著巨大挑戰(zhàn)，因為大多數(shù)傳統(tǒng)設備都需要外部電平轉換器電路與之通信。它們也過時、效率低下、復雜且笨重。本文詳細討論了傳統(tǒng)解決方案的缺點，然后研究了一種新型的高度集成設備，以解決該缺陷，并提供緊湊、易于使用和高效的負輸出 DC-DC 解決方案。
負輸出 DC-DC 轉換器的挑戰(zhàn)
典型的電源系統(tǒng)具有作為接地參考或 GND 的最低電壓電位。對于正輸出 DC-DC 輸出轉換器，接地參考只是 GND(0-V 電位)。它的輸入/輸出信號自然地以該地為參考。系統(tǒng)控制器使用 I/O 引腳簡單直接地與 DC-DC 轉換器通信。
有這樣一個系統(tǒng)，其中系統(tǒng)微控制器 (MCU) 驅動轉換器的 EN(啟用)引腳以將其打開和關閉。控制器還通過其 PGOOD(即 RESET)引腳讀取轉換器的狀態(tài)，以了解轉換器功率輸出是否在其調(diào)節(jié)范圍內(nèi)并準備好為整個系統(tǒng)供電。為簡單起見，此處僅顯示了一個 DC-DC 轉換器，但該原理也適用于具有多個正電壓軌的系統(tǒng)。
當使用負 DC-DC 時，與系統(tǒng)控制器的通信并非易事。轉換器的 I/O 引腳以其最低電壓電位為參考，在這種情況下，它是負輸出電壓，而不是系統(tǒng)接地 (GND)。使用負電壓軌時，設計人員需要為系統(tǒng) MCU 實現(xiàn)電平轉換器電路，以與 DC-DC 轉換器通信。
同樣，為簡單起見，此處僅顯示了一個負輸出 DC-DC 轉換器，但該原理適用于具有多個負電壓軌或正負電壓軌混合的系統(tǒng)。每個負輸出 DC-DC 轉換器的每個 I/O 引腳都需要一個電平轉換器。
電平轉換器電路很大，給設計人員帶來了挑戰(zhàn)。此外，傳統(tǒng)的負 DC-DC 轉換器解決方案復雜且效率低下，是另一個挑戰(zhàn)。
挑戰(zhàn) 1：電平轉換器
一個典型的電平轉換器電路，其目的是改變信號的接地參考以匹配系統(tǒng) MCU 的接地參考。此處用于轉換來自系統(tǒng) MCU 的 ON 命令以打開/關閉 DC-DC 轉換器。該電平轉換器由 9 個組件組成。它的操作很簡單：當系統(tǒng)控制器將 ON 驅動為高電平時，Q1 導通，進而將 Q2 偏置為導通并將 EN 驅動為高電平以啟用 DC-DC 轉換器。當 ON 被驅動為低電平時，Q1 和 Q2 都關閉，并且 EN 被驅動為低電平以禁用轉換器。
一種常見的電平轉換器電路變體，它在這里用于轉換來自 DC-DC 轉換器的 PGOOD 信號，以便系統(tǒng)微轉換器可以讀取它。當 PGOOD 被 DC-DC 轉換器驅動為高電平(漏極開路)時，Q3 導通，進而偏置 Q4 并將 RESET 驅動為高電平，從而使系統(tǒng) MCU 退出復位狀態(tài)。
這兩個電平轉換器需要 18 個外部元件，對試圖將解決方案適應不斷縮小的設備和電路板空間的設計人員提出了挑戰(zhàn)。
挑戰(zhàn) 2：效率低下
傳統(tǒng)的負輸出 DC-DC 解決方案效率低下。由于效率低下而產(chǎn)生的額外熱量給設計師帶來了另一個挑戰(zhàn)，他們現(xiàn)在有額外的負擔從系統(tǒng)中去除熱量。
這種拓撲結構面臨兩個低效問題。首先，它采用非同步開關，與同步解決方案相比，輸出整流二極管 D1 消耗更多功率。其次，它有一個額外的功率電感器 L1 和一個額外的電容器 C1，它們也會消耗更多的功率。顯示了該轉換器的效率曲線，在 12V 輸入和 -15V 輸出時測量。其峰值效率僅為 83%，而在 150 mA 輸出電流下功耗約為 460 mW。
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