作者：Dylan Zheng
很多工业系统中常需要负电源供电，如双电源运算放大器、超声波扫描仪和自动化测试设备等。本文主要介绍如何通过同步Buck 变换器LMR54406实现可调负电压输出，该方案具有外围电路少，成本优等特点。
LMR54406是一款易用的同步Buck变换器，输入电压范围4V~36V，最大连续输出电流0.6A，非常适用于有宽压需求的工业应用。同时，其开关频率为1.1MHz，可以选用更小尺寸的电感；内部集成了软启动、补偿电路、过流保护和过温保护，大大节省方案体积。
如图1所示，通过将原有Buck的正输出端接到系统GND；将原有Buck的GND pin作为反向电压输出端；正电源输入端加入一个对系统GND的输入电容CBUCK，即可将现有的LMR54406由同步Buck变换器转变为Inverting Buck-boost (IBB)，提供负电压输出。
图1 Buck变换器演变为反向Buck-boost变换器
下面着重介绍IBB电路的运行原理和电压电流应力。在LMR54406内部FET上管导通时，输入电压VIN给电感充电；在内部下管导通时，输出电压VOUT给电感放电，由伏秒平衡可得，输入输出的关系为：
(1)
其中，D为开关管导通占空比，为效率。
电感的平均电流、纹波电流、峰值电流和谷值电流分别为：
(2)
(3)
(4)
(5)
VIN pin和SW pin的电压应力为：
(6)
输出电容需要根据输出电压纹波要求选定：
(7)
基于以上分析可知，IBB电路的电压应力和电流应力会比Buck电路更高。表1为器件选型时需要考虑的主要参数。
表1 IBB变换器主要参数要求
在一些系统中，常需要负电压动态可调功能，下面介绍实现负电压动态调节的三种方式。
第一种调压方式为在FB pin加入一个外部参考电压VDAC，通过调节外部参考电压来调节IBB输出负电压范围。
图2 负电压动态调节方式1-电压型
如图2所示，此时输出电压为：
(8)
外部参考电压VDAC可以选用一些带电压输出Buffer的DAC来实现。
下面为用 PSPISE for TI的验证验证。仿真参数如表2所示。
表2 负电压动态调节方式1仿真参数
仿真结果如图3所示，红线为VDAC，绿线为输出VOUT，输出电压可以很好的跟踪外部参考电压VDAC。
图3 仿真结果
同理，第二种调压方式可以通过在FB 加入外部参考电流源IDAC来实现；也可以将电阻R1替换为数字电位器，通过调节R1阻值，来实现调压。实现方式如图4和图5所示，不再赘述。
图4 负电压动态调节方式2-电流型
图5 负电压动态调节方式3-电阻型
本文介绍了一种基于LMR54406通过IBB拓扑实现负输出电压的方案，以及电压型、电流型和电阻型3种动态调压方法。具有易于实现，外围器件少，节省成本等优势，该方案也适用于其他大部分Buck变换器和控制器。
