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1. 从一个“负压从哪来”的坑说起

搞硬件的人迟早会撞上一个问题：板子上只有正电源，但某个芯片偏偏要一个负压。运放要双电源、某些传感器偏置要负压、OLED对比度调节要负压、音频功放的偏置也要负压。第一次遇到这个需求的时候，我脑子里第一反应是“再加一路隔离电源模块”，但隔离模块体积大、成本高、纹波还未必好看。后来被老工程师点了一句：你手里那堆DC-DC芯片，随便搭个BUCK-BOOST就能出负压，为什么非要舍近求远？

这句话把我带进了BUCK-BOOST电压反转的世界。所谓电压反转，就是输入正电压，输出一个幅度可调的负电压，比如输入12V，输出-12V、-5V甚至-15V。实现这个功能的核心拓扑就是BUCK-BOOST，而工程上最常被拿来练手的芯片之一就是LM2597这类经典降压芯片的“反向用法”。这篇文章我就把从选型、搭电路、算参数到抓波形、排查问题的完整过程摊开讲一遍，重点放在四开关BUCK-BOOST和传统单开关BUCK-BOOST的区别、MOS管波形到底该长什么样、以及那些文档里不会写的坑。适合已经会画基本电源电路、想搞明白负压到底怎么来的朋友，也适合正在用STM32做数字电源控制、需要理解BUCK-BOOST工作过程的同学。

先把结论摆前面：电压反转不是玄学，它的本质是把电感储能释放到输出电容上，只不过输出的参考点被你“挪”到了负端。理解这一点，后面所有波形和参数都好解释了。

2. 电压反转到底怎么实现的：拓扑选型与思路拆解

2.1 为什么BUCK-BOOST能出负压

先把这个“为什么”讲透，不然后面看波形全是懵的。普通的BUCK电路，电感一端接开关节点，另一端接输出，输出电容的正极就是输出电压。而BUCK-BOOST的接法是把电感的另一端直接接地，输出电容的正极接地，负极作为输出。这样一来，输出端相对于地就是负的。

你可以这么理解：电感在开关导通时从输入吸收能量，开关断开时电感电流不能突变，它会找一个回路把能量放出去。在BUCK-BOOST里，这个释放回路正好经过输出电容，而电容的接法决定了能量被“灌”到负端。所以输出电压的绝对值可以比输入高也可以比输入低，取决于占空比。

这里有个关键公式，做负压设计必须记住：

Vout = -Vin × D / (1 - D)

其中D是开关导通占空比。举个例子，输入12V，想要-12V，代入算一下：12 = 12 × D/(1-D)，解得D = 0.5。想要-5V，则5 = 12 × D/(1-D)，D ≈ 0.294。想要-24V，D ≈ 0.667。注意D永远小于1，所以理论上输出幅度可以无限大，但实际受限于开关管耐压、电感饱和电流和效率，一般不会做太夸张。

这个公式也告诉你一件事：BUCK-BOOST的输出电压和输入电压是“反相”的，输入越高输出绝对值越大，但占空比要跟着调。如果你用固定占空比开环跑，输入一变输出就跟着变，所以实际产品里必须加反馈。

2.2 单开关BUCK-BOOST和四开关BUCK-BOOST差在哪

这是很多人容易混淆的地方。传统BUCK-BOOST只有一个开关管和一个二极管，结构简单、成本低，但有两个硬伤：一是输出极性固定为负，二是效率一般，尤其是二极管续流那一段损耗大。而四开关BUCK-BOOST（也叫H桥BUCK-BOOST或非反相BUCK-BOOST）用了四个MOS管组成桥臂，通过不同的开关组合，既能升压也能降压，而且输出可以是正也可以是负，效率还高。

如果你只是要一个几十毫安到几百毫安的负压，单开关BUCK-BOOST足够了，LM2597这类芯片改一下接法就能用。但如果你要做几百瓦、要求高效率、还要STM32参与闭环控制，那四开关BUCK-BOOST才是正路。我这次两个都搭了，先用单开关把负压跑通，再用四开关验证波形和效率，下面会分别讲。

2.3 芯片选型：为什么拿LM2597开刀

LM2597是一颗经典的降压开关稳压器，内部集成了开关管，外围只需要电感、二极管、电容和反馈电阻。它本身是BUCK芯片，但通过“浮地”接法可以改成BUCK-BOOST出负压。选它的理由很实际：手头有、资料多、便宜、能跑1A左右，足够验证原理。

不过要提醒一句，LM2597的反馈基准是1.23V，做负压时反馈电阻的接法要反过来，这点后面实操会详细说。如果你要用四开关方案，那就不能靠这种集成芯片了，得用分立MOS加驱动，或者用专门的BUCK-BOOST控制器。我四开关部分用的是STM32产生PWM，配合半桥驱动芯片IR2104来推MOS，这样能灵活控制死区和占空比。

3. 核心细节解析：电感、电容、MOS管怎么选

3.1 电感值怎么算，饱和电流怎么留余量

电感是BUCK-BOOST的心脏，选错了要么效率低，要么直接饱和炸管。计算电感值用这个公式：

L = (Vin × D) / (ΔIL × fsw)

其中ΔIL是电感纹波电流，一般取输出电流的20%到40%，fsw是开关频率。以LM2597为例，它固定150kHz。假设输入12V，输出-12V，负载电流0.5A，D=0.5，取ΔIL为0.2A：

L = (12 × 0.5) / (0.2 × 150000) = 200μH

实际选220μH的标准值。但光算电感值不够，还要看饱和电流。峰值电流Ipk = Iout/(1-D) + ΔIL/2。代入Iout=0.5A，D=0.5，ΔIL=0.2A，得Ipk = 1 + 0.1 = 1.1A。所以电感的饱和电流至少要1.5A以上，留30%余量。我手头用的是1.5A的屏蔽电感，实测温升可以接受。

注意：BUCK-BOOST的电感平均电流比输出电流大，因为电流是断续地往输出灌。很多人按输出电流选电感，结果一上电就饱和，波形直接变成三角波尖峰。

3.2 输出电容的ESR比容量更重要

负压输出的纹波主要由输出电容的ESR决定，而不是容量。因为BUCK-BOOST的输出电流是脉冲式的，电容要吸收这些脉冲。纹波电压近似为：

ΔVout ≈ Iout × D / (fsw × Cout) + Ipk × ESR

第一项是容量贡献，第二项是ESR贡献。以0.5A输出、D=0.5、150kHz、Cout=220μF为例，第一项约7.5mV。但如果ESR是0.1Ω，第二项就是1.1A × 0.1 = 110mV，直接主导。所以选电容要挑低ESR的，固态电容或者多个陶瓷电容并联。我实际用了两个100μF的固态电容并联，ESR降到20mΩ左右，纹波控制在50mV以内。

3.3 MOS管波形到底该长什么样

这是标题里点名的重点。先说你该在示波器上看什么：开关节点电压Vsw、电感电流IL、输出纹波Vout。单开关BUCK-BOOST的Vsw波形是一个从Vin+|Vout|到0的方波，占空比D。导通时Vsw接近0（开关管压降），关断时Vsw被二极管钳位到Vin+|Vout|。如果你看到Vsw上有振铃，那是寄生电感和电容在作怪，加RC吸收或者减小环路面积。

四开关BUCK-BOOST的波形复杂一些，因为有两个桥臂。以降压模式为例，左侧桥臂的上下管互补导通，右侧桥臂的下管常通、上管常断。你会看到两个开关节点波形，相位差180度。关键是死区时间，如果死区不够，上下管直通，瞬间大电流烧管。我用STM32的互补PWM加死区，死区设了500ns，实测MOS管温升正常。

实操心得：抓MOS管波形一定要用差分探头或者隔离探头，否则地线夹错位置会短路。我第一次测的时候地线夹在开关节点上，一上电示波器就跳闸了，后来老老实实换差分探头。

4. 实操过程：从搭电路到抓波形

4.1 单开关BUCK-BOOST负压电路搭建

先讲LM2597的负压接法。正常BUCK时，反馈电阻从输出接到FB脚，再接到地。做负压时，要把反馈电阻的“地”挪到负输出上，具体是：FB脚通过一个电阻接到负输出，另一个电阻接到正输入（也就是系统地）。这样反馈电压就是负输出和正输入之间的分压。

具体参数：LM2597基准1.23V，想要-12V输出，反馈电阻R1接在FB和负输出之间，R2接在FB和地之间。公式是：

Vout = -1.23 × (R1/R2 + 1)

取R2=1kΩ，要-12V，则R1 = (12/1.23 - 1) × 1k ≈ 8.76kΩ，选8.66kΩ标准值。实测输出-11.9V，可以接受。

电感用220μH/1.5A，二极管用SS34肖特基，输出电容两个100μF固态并联。输入电容100μF电解加0.1μF陶瓷。上电前先用万用表确认没有短路，然后空载上电，测输出应该是负的。如果输出是正的，说明反馈接反了。

4.2 四开关BUCK-BOOST的STM32控制实现

四开关部分我用STM32F103产生四路PWM，通过IR2104驱动两个半桥。IR2104自带死区，但为了保险我在软件里又加了500ns死区。控制策略是：降压模式下，左桥臂PWM，右桥臂下管常通；升压模式下，右桥臂PWM，左桥臂上管常通。模式切换靠比较输入输出电压自动判断。

PWM频率设100kHz，定时器用中央对齐模式，这样能产生对称的互补波形。占空比通过PID调节，反馈用电阻分压后接STM32的ADC。这里有个坑：STM32的ADC参考地是系统地，但负压输出的分压要小心，不能直接把负压接进ADC，否则会烧引脚。我的做法是用一个运放做电平搬移，把负压转换成正电压再给ADC。

代码上关键就是定时器配置和死区设置，我用的是TIM1的CH1/CH1N和CH2/CH2N，死区寄存器BDTR设了对应值。实测四开关效率在12V转-12V、1A负载下能到88%，比单开关的78%高不少。

4.3 波形抓取与参数记录

抓波形的时候，我记录了以下几组数据：

波形上，单开关的Vsw有明显的二极管反向恢复尖峰，加RC吸收后改善。四开关的Vsw干净很多，因为同步整流没有二极管反向恢复问题。电感电流波形在CCM模式下是三角波，峰值和计算值吻合。

注意：测效率一定要用四线法测电压，否则线损会算进去，效率偏低。我一开始用普通表笔，效率怎么算都只有70%，换了四线法才发现是线损。

5. 常见问题与排查技巧实录

5.1 上电没输出或者输出正压

这是最常见的。先查反馈电阻接法，负压输出的反馈网络和正压是反的。如果输出是正压，说明反馈电阻的地接错了。再查二极管方向，BUCK-BOOST的二极管方向和平常BUCK不一样，画图时容易搞反。最后查电感是否开路，用万用表量一下通断。

5.2 输出纹波大、有啸叫

纹波大先看输出电容ESR，换低ESR电容。啸叫一般是环路不稳定，LM2597的补偿电容要调，或者负载太轻进入DCM模式。四开关的话检查死区是否合适，死区太大效率低，太小有直通风险。我遇到过啸叫是因为电感值偏小，换大一号就好了。

5.3 MOS管发热严重甚至炸管

先查死区，用示波器看上下管驱动波形有没有重叠。再查MOS管耐压，BUCK-BOOST的开关管承受电压是Vin+|Vout|，选管要留1.5倍余量。最后查驱动电阻，太大开关慢损耗大，太小振铃严重。我一般用10Ω到22Ω之间。

5.4 常见问题速查表

独家避坑：调试负压电路时，示波器一定要用隔离探头或者差分探头，普通探头地线夹在负输出上会短路。我第一次调试就因为这个烧了一个探头，血的教训。

6. 一些实测体会和后续可以玩的方向

单开关BUCK-BOOST适合快速验证负压需求，成本低、电路简单，但效率和纹波一般。四开关BUCK-BOOST性能好，但控制复杂，适合用STM32这类MCU做数字控制。我实测下来，四开关在1A负载下效率能到88%，纹波25mV，已经能满足大部分模拟电路的需求。

如果你也想动手，建议先从单开关跑通，理解负压怎么来的，再上四开关。四开关的难点在死区和模式切换，STM32的互补PWM加死区功能很好用，但要注意ADC采样时刻，最好在PWM中点采样，避开开关噪声。

后续我打算把四开关做成闭环数字电源，用STM32跑PID，把输入电压范围扩到6V到36V，输出-12V固定，看看能不能做到90%以上效率。另外还想试试用GaN管替换MOS，把频率提到500kHz，进一步减小电感体积。这些等跑通了再分享。