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title: 漫談交換式電源的原理與設計—PART 14
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updated: "2025-05-05"
category: 交換式電源
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# 漫談交換式電源的原理與設計—PART 14

**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**

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2021/12/1640263076559.jpg)

（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。

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2021/12/1640263096638.jpg)

（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。

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2021/12/3-9.jpg)

（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。

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2021/12/4-6.jpg)

（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：

V~OUT / V~IN = -D / (1-D)

D 就是我們之前的 duty cycle：D = T~ON / (T~ON + T~OFF)

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：

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2021/12/5-6.jpg)

（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「T~ON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，T~ON 就開長一點；輸出電壓高於目標電壓，T~ON 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 V~OUT是整個電路中最低的電壓，電路中 GND 的電壓其實比 V~OUT還高，因此對於 MC34063 來說，這樣接的時候 V~FB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。

 ![](https://makerpro.cc/wp-content/uploads/2021/12/6-5.jpg)

（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 V~OUT，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）