Ćuk拓扑在负电压电源设计中的应用与优化

在许多工业、通信及汽车电子系统中，信号链电路往往需要正负双电源供电（如±5 V或±15 V），以满足运算放大器、ADC/DAC、传感器接口等器件的输入动态范围要求。此外，在碳化硅（SiC）功率器件的栅极驱动中，也常需要负电压来实现快速关断和提高系统稳定性。Ćuk拓扑因其结构简洁、噪声较低，成为从正输入电压生成负输出电压的理想选择。

一、Ćuk拓扑基本原理与特点

Ćuk拓扑是一种非隔离型DC-DC变换器，其核心结构包括两个电感（L1、L2）、一个开关晶体管（S1）、一个二极管（D1）和一个耦合电容（C1）。该拓扑又被称为“2L反相拓扑”，因为它通过两个电感实现了输入与输出之间的能量传递，并将输出电压反相。

工作模式简析：

开关导通阶段：输入电流流经L1为C1充电，同时L2释放储能至负载；

开关关断阶段：L1通过D1续流向C1放电，L2则继续向负载提供电流；

整个过程中，C1作为能量传输媒介，使输出电压反相于输入电压。

相比其他负电压生成方案（如反激、电荷泵），Ćuk拓扑具有以下优势：

输入与输出均为连续电流，降低传导EMI；

热回路面积小，有利于抑制高频噪声；

可实现升压或降压功能，输出电压调节灵活。

二、关键元件选型与布局要点

1. 开关稳压器IC选型

选择支持负电压反馈的控制器或集成开关IC是设计的关键。例如 LT8330 是一款适用于Ćuk拓扑的高效升压控制器，其具备如下特性：

支持输入电压范围：3 V 至 40 V；

集成1 A、60 V MOSFET开关；

特有FBX引脚，可兼容正/负电压反馈；

固定2 MHz开关频率，支持高密度设计；

超低静态电流（IQ = 6 μA）；

封装紧凑，适合车载与便携设备。

2. 热回路布局优化

尽管Ćuk拓扑本身具有较低噪声特性，但热回路（由开关S1、二极管D1和耦合电容C1组成）仍是电磁干扰的主要来源。为减小寄生电感和辐射噪声，建议采用以下布局策略：

S1、D1、C1应尽可能靠近IC的对应引脚；

使用短而宽的走线连接这些元件；

地平面保持完整，避免分割造成环路增大；

多层PCB中优先将热回路布置在同一层，减少过孔引入的电感。

三、典型电路设计示例

图1所示为基于LT8330的Ćuk稳压器电路，输入为12 V，输出为–15 V，输出电流能力可达100 mA以上。其主要参数配置如下：

图1

L1、L2：各为10 µH；

C1：陶瓷电容，1 µF；

D1：肖特基二极管，耐压≥60 V；

输出滤波：π型滤波（10 µF + 10 Ω + 10 µF）；

反馈分压电阻：根据–15 V设定FBX参考电压。

该电路工作于固定频率PWM模式，也可启用Burst Mode®以提升轻载效率。

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四、性能优势与适用场景

性能优势：

输入与输出端均无突变电流，显著降低EMI；

输出纹波低，适合对噪声敏感的模拟前端；

支持宽输入范围，适应电池供电或多轨系统；

结构简单，易于实现小型化设计。

推荐应用场景：

运算放大器/仪表放大器供电；

ADC/DAC基准电源；

SiC/MOSFET栅极驱动电源；

汽车ECU、车载摄像头模块；

工业传感器与测量设备。

五、总结

Ćuk拓扑凭借其低噪声、高效率、结构灵活等优点，成为生成负电压的理想选择。结合高性能开关控制器如LT8330，不仅简化了设计流程，还能实现优异的电气性能与EMI表现。对于需要稳定负电源、且空间受限的应用场景，工程师可优先考虑采用此拓扑结构进行电源设计，并注重热回路布局优化，以确保系统的稳定性和可靠性。