作者：Bird
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。
（圖片來源：Bird 提供）
在一開始的儲能週期中，切換開關閉合，電流由輸入流向電感，將能量儲存在電感中，而圖中的二極體則限制了對電感充電的電流，只能流向電感，不會流向輸出。
（圖片來源：Bird 提供）
接下來，切換開關斷開。此時，電感因爲有著「不允許電流有不連續變化」的特性，會讓上面的電流持續往同一個方向流動，同時因爲電流的變化率會從 「增加」變爲「減少」，根據我們之前推導過很多次的交換式電源電路原理，在電流變化率轉變的同時，電感上的電壓方向也會反轉。
因此在這個週期中，電感上的電流持續往同一個方向流動，但是電感上的電壓卻反轉了，這個反轉的電壓就流向輸出，同時對輸出的濾波電容充電。
（圖片來源：Bird 提供）
又回到電感的儲能週期。這時由於輸出的濾波電容已經在上一個週期充飽電荷，因此在儲能週期時， 濾波電容裡的電荷可以繼續供應負載所需的電流。
重複以上第二個、第三個狀態，就能持續不斷供應極性已經反轉的電源給負載。
我們之前說過，boost 電路之所以輸出電壓一定比輸入電壓高，是因爲當電感在放電週期時，電感上的電壓與輸入電壓串聯，但在 inverting 結構中，電感放電時，它只透過二極體與負載串接，沒有輸入電壓的介入，因此 inverting converter 可以輸出的電壓範圍是 0 到負無限大，至於要負多大，則一樣是由電感充放電的 duty cycle 來決定。
輸出電壓控制 #
推導的過程照例我略過，直接告訴讀者結果：
VOUT / VIN = -D / (1-D)
D 就是我們之前的 duty cycle：D = TON / (TON + TOFF)
我們如果將上面那個輸出電壓與輸入電壓的比值畫成圖，就會得到：
（圖片來源：Bird 提供）
可以看出，這個曲線跟 boost converter 的控制曲線非常相似，因爲它們都有一項（1-D）在分母，因此畫出來的曲線會是雙曲線的一部分。
和 boost converter 一樣，雖然輸出電壓「似乎」可以達到無限大或負無限大，但當 duty cycle 過了某個比值（大概是 0.9） 後，電壓就會快速上升。在這個區間中，duty cycle 只要變化一點點，輸出電壓的變化就會非常大，這會造成控制電路設計上的困難，因此如同 boost converter 一樣，一般我們設計 inverting converter 時，會將 duty cycle 限制在 0.8，甚至更低的比值以下。
電路實戰 #
我們之前在介紹 boost 或 buck converter 時，有用 MC34063A 來示範實際可以運作的電路。不管是 buck 還是 boost，它們的控制特性都是「TON 的時間越長，輸出電壓就越高」，因此兩者可以用同一種控制邏輯來控制：「輸出電壓低於目標電壓，TON 就開長一點；輸出電壓高於目標電壓，TON 就開短一點甚至不開」。
那麼 MC34063A 可以用來做 inverting converter 嗎？我們來看看 inverting converter 的控制曲線，它其實跟 boost converter 很類似，也是 duty cycle 越大，輸出電壓就越大，只是是「負」的越大。
因此 MC34063A 也可以拿來做 inverting converter 的設計，但特別要注意的地方是回授電壓的安排。因爲當輸出是負電壓時，經過回授分壓電阻而產生的回授電壓也會是負的，但 MC34063A 並不能接受負的回授電壓，它裡面的比較器參考電壓仍是 1.25 V，不是 -1.25 V。
該怎麼辦呢？山不轉路轉，其實我們只要把 MC34063A 的內部比較器用來當作參考地電位的第四腳 GND，接到輸出電壓上就好了。因爲 VOUT 是整個電路中最低的電壓，電路中 GND 的電壓其實比 VOUT 還高，因此對於 MC34063 來說，這樣接的時候 VFB 拿到的電壓會變成「負的負 1.25 V」，負負得正，MC34063A 就會「看到」 1.25 V 的回授電壓了。
（圖片來源：Bird 提供）
上圖是 MC34063A 的 datasheet 中，關於 inverting converter 的示範電路。可以看到在 boost 或 buck converter 電路中接到 GND 的第四腳，在 inverting converter 的電路中被接到 VOUT，而另一個要注意的地方是，因爲用來設定交換頻率的振盪器控制電容 CT 也會參考 1.25 V 的比較電壓，所以這個電容器的負極也一樣要接到第四腳，與整個控制電路共用同一個參考電位。
小結 #
關於交換式電源的這個系列文章，我們就說到這裡了。我們在過去的半年多，帶著讀者看了 boost converter、buck converter，也示範了利用單顆 IC 設計的電源電路，或是需要外加電晶體以增加輸出功率的 controller 電路，最後我們在這一回簡單介紹了 inverting converter，用來產生與輸入與電壓相反的負電壓。
希望這個系列能對讀者們在交換式電源電路上的了解有所幫助！電源電路博大精深，這裡面其實還有很多技術細節和原理有待探討，希望這個系列能成爲一個重要的引子，讓讀者們以後在面對相關電路時，知道要往哪裡找線索。
（責任編輯：賴佩萱）
