Posted By Liang Bird on 12 月 28, 2021 in Maker電子學, 交換式電源, 教學文 | 1 comment

我們花了十多次的篇幅，說明了常用的交換式電源的原理。從可以升壓的 boost converter 開始，到降壓用的 buck converter，我們用 MC34063A 這顆古老但歷久彌新的交換式電源控制 IC，示範了電路的原理和設計，也帶大家使用 TI 的零件選擇工具和線上模擬工具來設計電路，這一回我們要簡單聊一下用來反轉電壓的 inverting converter。

反轉世界

Invertering converter 是交換式電源中相當特殊卻比較少用到的一種，它的輸出電壓極性和輸入電壓的極性相反，而且輸出電壓的絕對值可以比輸入電壓高或低，因此在某些分類上它也被歸類爲「buck-boost converter」，也就是可以升壓或降壓的電源轉換器，但一般來說，它仍然比較常用來產生與輸入電壓極性相反的電壓。

所謂極性相反，其實就是針對同一個參考地電位，如果輸入電壓是正的，輸出電壓就是負的。

那什麼時候會用到負的電壓呢？

在很早很早的年代，有一些 DRAM 晶片會需要好幾組不同的電源電壓，其中有一組就是負的電壓。比方說 Apple II 電腦上用的 DRAM 晶片 4116（一顆只有 16 K bits，也就是 2 K bytes）就需要 +12 V、+5 V 和 -5 V 三組電源，因此 Apple II 的主機板電源供應器上就有 -5 V 的輸出。當然這是非常久以前的需求，隨著半導體製程的進步，後來的 IC 即使有負電壓的需求，也都可以在晶片上利用 charge pump 電路產生所需的負電壓，不需要再外接負的電源。

除了 DRAM 之外，早期有一種速度很快的邏輯電路 IC 叫做 ECL（它的邏輯準位跟一般的邏輯 IC 很不一樣，其工作電壓是負的，因此需要負的電源供應器），它在 CMOS 電路的傳遞延遲還要十幾二十 ns 的年代，就可以達到 2 ns 以下的傳遞延遲。

80 年代許多超級電腦都是使用這種叫做 ECL（emitter-coupled logic）的電晶體邏輯 IC 設計的，但隨著半導體製程的進步，CMOS 邏輯的速度越來越快，又有消耗功率低的優勢，ECL 也越來越少看到了。

至於類比電路，常見的雙極性放大電路也會需要負的電壓，讓輸入和輸出訊號都可以在正電壓和負電壓之間擺盪，但由於類比電路對電源雜訊比較敏感，一般如果是運算放大器需要雙電源，不會用交換式電源來供應，因爲交換式電源一定會有輸出漣波，常見的做法是把輸入和輸出偏移到 1/2 VCC，把 VCC 當正電源、GND 當負電源準位來使用。

因爲以上種種理由，現在的電路設計中會用到負電源的場合越來越少，所以 inverting converter 使用的機會也越來越少，所以我們將它放在這個系列的最後。

電路結構

（圖片來源：Bird 提供）

上圖是簡化後的 inverting converter 電路。如果有看過這個系列的讀者，對這個電路一定覺得不陌生，它看起來有點想 buck converter，又有點像 boost converter。

其實不管是 buck、boost，還是 inverting converter，工作的原理都一樣：在某個週期中，先把能量儲存在電感中，在另一個週期中，將能量從電感裡釋放出來，而儲存能量時，負載就由輸出的濾波電容器暫時供電。

我們來看看 inverting converter 怎麼工作的。