Ćuk转换器和反相电荷泵转换器的区别

作者：Kevin Scott and Jesus Rosales

Ćuk转换器（也称为双电感反相转换器）、反相电荷泵和单电感反相转换器（也称为反相降压-升压）都从正输入电压提供负输出电压。然而，工程师经常在不知不觉中用错误的名称来引用这些拓扑，给已经有点混乱的领域增加了混乱。每个拓扑有什么作用？为什么选择一种拓扑而不是另一种拓扑？原因各不相同，有些比其他原因更明显。以下讨论重点介绍了反相电源架构之间的差异，重点是直观思维，而不是深入的电源设计和开关理论。目的是展示Cuk和反相电荷泵的优势和权衡，然后简要讨论反相拓扑，以便在选择最适合您应用的负输出电路拓扑时做出更明智的选择。

丘克拓扑

Ćuk拓扑通常可以从同时提供升压、SEPIC或反激式拓扑的器件获得。高电压、低静态电流LT8331是可配置为Ćuk转换器的器件示例。它具有 4.5V 至 100V 的宽输入电压范围，并包括一个 140V、0.5A 电源开关。其 6μA 静态电流、可编程欠压锁定、100kHz 至 500kHz 开关频率和低输出纹波使其成为高电压、低待机电流、负输出电压需求的理想选择。

图1.LT8331 Ćuk 配置

它需要两个电感器（可以是耦合或非耦合的，并且通常在值上匹配）和一个耦合电容（C5）在输入和输出之间。耦合或隔断电容器从电路的输入侧接收能量，并将其传输到电路的输出侧。在稳态条件下（即上电后），该电容两端的电压是恒定的，大约等于V在.

反相电荷泵电路

Ćuk转换器电路的一种变体是反相电荷泵电路，其中电感L2被肖特基二极管D3取代，如下所示。LT®3581 是一款具有一个 3.3A/42V 电源开关的多通开关稳压器。它具有内置的故障保护功能，有助于防止输出短路、输入/输出过压和过热情况。此外，它还包括一个独特的主/从开关，可通过堆叠电荷泵电路轻松构建高压正电压或负电压。

图2.反相电荷泵

Ćuk 与反相电荷泵

在图3和图4中，Ćuk转换器和反相电荷泵转换器拓扑并排显示，以便进行比较。

图3.丘克拓扑

图4.反相电荷泵拓扑

请注意，这两个电路看起来非常相似;除了Cuk的第二个电感已被肖特基二极管取代。另外，请注意，它们都有一个低侧 N 沟道 MOSFET（或 NPN 晶体管）电源开关。低边开关还用于升压、SEPIC和反激式拓扑，因此这些器件用途广泛。开关节点始终施加正电压。在 Cuk 设计中，反馈引脚可能会也可能不会看到负电压（有些器件不允许在 IC 上的任何地方出现负电压，有些器件具有接受正电压和负电压的双模反馈引脚）。虽然外观相似，但两个电路的操作却大不相同。

Ćuk转换器的更多细节

当 V 的大小可以使用外大于或小于 V在.对于Cuk，简化的占空比（假设无损耗二极管和开关）由下式给出：

占空比 （D） = V外/（V外– V在)

作为 V外变得更负，占空比接近 100%，并且作为 V外接近零，占空比接近 0%。|时占空比为50%V外|等于 V在.

图 5a 显示了电源开关关闭时的 Ćuk 电流，图 5b 显示了电源开关打开时的 Ćuk 电流。

图 5a. 关闭电源开关时的 Ćuk 电流

图 5b. 电源开关打开时的 Ćuk 电流

从输入电源流出的电流是连续的（换句话说，当电源开关关闭或打开时，电流从输入流出）。当开关闭合时，两个电感器的电流都在增加（电流正在上升，但由于L2中的电流为负，因此两个电流斜坡向相反方向移动）。当开关断开时，两个电感中的电流都会减小。在图6中，我们看到平均输入电流只是平均电感电流（（I拉夫格= Ipk + I林明)/2).

图6.Ćuk转换器输入电流

注意由电感和输入/输出电容形成的电路输入和输出端的LC滤波器。连续电流与LC滤波器相结合，可实现更平滑的输入和输出电流，从而产生低输出电压纹波噪声。

请记住，电感器的最佳纹波电流应约为输出电流的40%。对于大多数DC/DC转换器来说，这是一个很好的经验法则，代表了小电感尺寸和低开关损耗之间的权衡。

对于 Ćuk，该电压始终为正。不能简单地将Ćuk转换器配置为单个电感逆变器以减少电路元件。此外，必须注意确保 Ćuk 电源开关可以处理电压 V在+ |V外|出现在隔断电容器的上游侧。

反相电荷泵电路更详细

反相电荷泵与升压转换器密切相关，因为它结合了基于电感的升压稳压器和反相电荷泵。请注意，在图5a Ćuk电路中，图最左侧的电路和电流与升压转换器相同。在该电路中，我们添加二极管和电容器以获得反相电荷泵转换器。与Ćuk一样，反相电荷泵具有连续输入电流，但与Ćuk不同，它具有不连续的输出电流。对于给定的输出电流，这种配置通常提供尺寸、效率和输出纹波的最佳组合。反相电荷泵拓扑结构只能在V的几何性时使用外大于 V在.对于 V 的大小外小于或等于 V在，使用不同的拓扑结构，例如 Ćuk、反相转换器或反相反激式。

虽然它使用电荷泵，但由于电感器是主要的储能元件而不是跨接电容器，因此可以获得相当高的负载电流。下面的图 7 示出了用作反相充电泵 （上电路） 和升压型转换器的 LT3581。

图7.LT3581 负输出型充电泵增强型升压

LT3581 具有主 / 从开关，而不是单个电源开关，引脚 SW1 和 SW2 之间的肖特基二极管用于隔离开关，因此通过耦合电容器 C1 （在电源开关接通时产生）的电流尖峰仅流过从开关，而不流过主开关 （电流比较器所在的位置）， 从而防止内部电流比较器误跳闸。当电源开关关闭时，开关节点处的电压飞回V在+ |V外|当能量传递到输出电容器和负载时。输出断接固有地内置于这种单电感拓扑中。

对于反相电荷泵，简化的占空比由下式给出：

占空比 （D） = 1 – （V在/|V外|)

自|年以来V外|始终大于 V在，当它们相等时，占空比接近 0%，并随着 V 的增加而增加外变得更加消极。

在下面的反相充电泵配置中，在 LT3483 / LT3483A 的负输出和 D 引脚之间增加了一个与肖特基二极管串联的电阻器。该电阻器的目的是在开关导通时平滑/减小电容器C2中的电流尖峰。在此应用中，10Ω电阻工作良好（Li+电池至–22V@8mA），对转换器效率的影响小于3%。应用电路中推荐的电阻值也限制了输出短路条件下的开关电流。

图8.LT3483 电路 具附加 Rs 电阻器

反相拓扑

反相拓扑使用单个电感，不需要耦合电容;因此，它需要的组件更少，如下所示。下面的图 9 显示了单电感反相拓扑的一个示例，该示例使用了具有外部电源开关的 LTC3863 反相控制器。LTC3863 具有一个 3.5V 至 60V 的输入电压范围和一个 70μA 的低静态电流，并且它允许低于 –150V 的输出电压。由于电源开关必须看到负电压，因此反相拓扑的通用性较差，因为它只能用于负电压。它还具有比具有类似输出电流的 Cuk 转换器更高的峰值电流和输出纹波。对于 LTC3863，外部电源开关允许用户为所需的峰值电流和输出电压选择最佳 MOSFET。

图9.LTC3863 反相转换器

反相拓扑的占空比与Cuk转换器的占空比相同，即

占空比 （D） = V外/（V外– V在)

类似地，在相同的输出电压、输入电压和开关频率下，电路具有相同的占空比和相同的电感电流斜率（即纹波电流，等于V在*t上/L）。让我们看一下每种拓扑在开关周期内的电流。

图10a和10b显示了电源开关关闭和打开时的电流。

图 10a. 反相电路电流 - 开关闭合

图 10b. 反相电路电流 - 开关断开

对于反相转换器，电流仅在开关闭合时从输入电源流出。这导致脉冲输入电流而不是连续电流。

图 11.反相转换器输入电流

与Ćuk不同，反相电路的平均输入和峰值电流是占空比的函数。在50%占空比下，平均输入电流大约是Ćuk的两倍（假设没有其他电路损耗）。由于我们正在处理功率传输，随着输出电压变得更负或输入电压降低，峰值电感电流增加，从而增加输出纹波噪声;类似地，当输入电压增加或输出电压接近0V时，峰值电感电流也会减小。在这两种情况下，电感电流可以是连续的，输入电流也可以接近连续的，但它永远不会是连续的。因此，对于给定的输出电流，Ćuk转换器具有比反相转换器拓扑更低的峰值输入电流（以及输出电流，因为两个电感电流相似）和更低的输出电压纹波噪声是有道理的。

拓扑结构之间的另一个区别是开关节点上的电压。对于反相转换器，该电压在开关周期的第二阶段为负。因此，拓扑不容易从一个拓扑转换为另一个拓扑。

总结

Ćuk、反相电荷泵和反相拓扑提供负输出，但每种配置都有细微差别，在设计负电源时可能会带来好处。除这些电路外，输出以地为基准的降压转换器和反激式转换器也能够提供负输出电压。遗憾的是，许多数据手册和在线搜索参数表没有区分独特的拓扑结构，而是将它们归为“反相转换器”。但是，有了有关差异的知识，您现在可以在为系统电源选择IC时做出更明智的选择。

审核编辑：郭婷