新型非隔离负电压DC/DC开关电源设计及实验研究（峰值电流控制）

  摘要：针对现有非隔离负电压DC/DC开关电源在带负载能力以及输出纹波上的不足，提出了一种基于峰值电流控制的新型非隔离负电压DC/DC开关电源设计方案，实现在连续电流模式（CCM）下输出电容能始终通过输出电感得到充电。进而有效抑制输出纹波的影响，确保了负电源的高效率工作和带负载能力。实验结果验证了本方案的可行性和有效性。

0 引言

随着电子技术的飞速发展，现代电子测量装置往往需要负电源为其内部的集成电路芯片与传感器供电。如集成运算放大器、电压比较器、霍尔传感器等。

负电源的好坏很大程度上影响电子测量装置运行的性能，严重的话会使测量的数据大大偏离预期。目前，电子测量装置的负电源通常采用抗干扰能力强，效率高的开关电源供电方式。以往的隔离开关电源技术通过变压器实现负电压的输出，但这会增大负电源的体积以及电路的复杂性。而随着越来越多专用集成DC/DC控制芯片的出现，使得电路简单、体积小的非隔离负电压开关电源在电子测量装置中得到了越来越广泛的应用。因此，对非隔离负电压开关电源的研究具有很高的实用价值。

传统的非隔离负电压开关电源的电路拓扑有以下两种，如图1、图2所示。图3是其滤波输出电容的充电电流波形。由图3可见，采用图2结构的可获得输出纹波更小的负电压电源，并且在相同电感峰值电流的情况下其带负载能力更强。由于图2的开关器件要接在电源的负极，这会使得其控制电路会比图1来得复杂，因此在市场也没有实现图2电路结构（类似于线性稳压电源调节芯片7915功能）的负电压开关电源控制芯片。

为了弥补现有非隔离负电压开关电源技术的不足，以获得一种带负载能力强、输出纹波小的非隔离负电压开关电源，本文提出一种采用Boost开关电源控制芯片LT1935及分立元件实现了图2所示原理的基于峰值电流控制的新型非隔离负电压DC/DC开关电源。

图1 传统的非隔离负电压开关电源电路结构1

图2 传统的非隔离负电压开关电源电路结构2

图3 两种开关电源滤波电容的充电电流波形

1 工作原理分析

图6给出图5利用平均电路法建立的非隔离负电压Buck开关电源CCM大信号模型。设Vi为输入电压的稳态值，Vo为输出电压的稳态值，Vpc为受控电压源两端电压的稳态值，Ii为输入电流的稳态值，IL为输出电感电流的稳态值，D为占空比的稳态值。

图6 非隔离负电压Buck开关电源CCM大信号模型

引入上述稳态值对应的小信号扰动。

令：

可以推导出：

若小信号干扰满足D,忽略二次项并化简等式（3）和等式（4）得，的线性化表达式为：

根据等式（5）和等式（6），即可得到图7所示的用理想变压器表示非隔离负电压Buck开关电源的CCM小信号模型。

图7 非隔离负电压Buck开关电源CCM小信号模型2.2 补偿网络设计

考虑到控制电流与控制电压满足：