有些應(yīng)用，如雙端傳感器和音頻放大器，需要負(fù)電壓才能工作。由于當(dāng)今系統(tǒng)板的空間有限，創(chuàng)建專用的負(fù)電源軌將增加PCB的成本和空間。因此，從系統(tǒng)中現(xiàn)有的正電源軌產(chǎn)生所需的負(fù)電壓是有意義的。

德州儀器（TI）在題為“使用同步降壓穩(wěn)壓器創(chuàng)建反相電源”的應(yīng)用筆記中提供了一種使用傳統(tǒng)同步降壓穩(wěn)壓器的解決方案 1。它向您展示了如何從正輸入電壓向同步降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生負(fù)電壓。

在介紹設(shè)計(jì)之前，作者討論了使用同步拓?fù)渑c非同步電路的優(yōu)勢(shì)使用同步設(shè)計(jì)的一個(gè)主要好處是在低電壓下具有更高的轉(zhuǎn)換效率。同樣，即使在非常低的電流下，同步拓?fù)湟脖３诌B續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），而不是非同步拓?fù)溥M(jìn)入非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）當(dāng)通過(guò)電源電感的電流減小到零時(shí).DCM模式下非同步拓?fù)涞囊恍┢渌秉c(diǎn)是慢瞬態(tài)響應(yīng)，以及DCM shif的慢補(bǔ)償噸。此外，它還需要電路板上的其他組件。使用同步拓?fù)淇梢韵@些缺點(diǎn)。

負(fù)轉(zhuǎn)換器解決方案

為了從正軌產(chǎn)生反相電源，工程師必須遵守一些設(shè)計(jì)限制。如表1所示，最大允許輸出電壓受IC上輸入引腳和接地（GND）引腳之間器件VDEV上的最大電壓減去最大輸入電壓VIN（max）的限制。由于MOSFET是IC的內(nèi)部，因此最大負(fù)載電流不能超過(guò)通過(guò)內(nèi)部開(kāi)關(guān)的最大電流。

反相電源限制使用的同步器件TPS54620 Vin（min）》 Vdev（min）4.5 V Vin（最大值） ）+ Vout 表1：最低逆變器要求。

現(xiàn)在，要轉(zhuǎn)換同步降壓穩(wěn)壓器（圖1）對(duì)于具有負(fù)輸出電壓的逆變器，TI建議將電感器和輸出電容器保持在與原始降壓轉(zhuǎn)換器電路相同的位置，但必須反轉(zhuǎn)接地和輸出電壓點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)負(fù)輸出電壓，如圖2所示。

圖1：同步降壓穩(wěn)壓器電路（由TI提供）。

圖2：負(fù)輸出電壓轉(zhuǎn)換器，其中地和電壓輸出Vout反轉(zhuǎn)（由TI提供）。

事實(shí)上，TI通過(guò)使用其芯片TPS54620實(shí)現(xiàn)了上述技術(shù)，該芯片是屬于TI SWIFT系列的4.5V至17V輸入，6A同步降壓轉(zhuǎn)換器。表2中描述了該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵電氣規(guī)格。雖然使用TI芯片的完整逆變器解決方案如圖3所示。

可變參數(shù)范圍/值Vin輸入電壓5 V標(biāo)稱4.5 V至5.5 V Vout輸出電壓-5 V Vout輸出電壓紋波《0.5％Iout輸出電流2 A fsw開(kāi)關(guān)頻率300 kHz

表2：逆變器的關(guān)鍵規(guī)格電路如圖3所示。

圖3：使用TI芯片TPS54620的逆變器解決方案（由TI提供）。

設(shè)計(jì)必須確保最小和最大輸入電壓符合上表1中列出的要求，而最大輸入電壓VIN（最大值）和輸出電壓Vout之間的差值不得超過(guò)調(diào)節(jié)器的最大操作裝置電壓。對(duì)于TPS54620，最大工作設(shè)備電壓VDEV（最大值）為17 V.

現(xiàn)在讓我們看兩個(gè)相關(guān)的公式：

（1）

（ 2）

此逆變器電路的VOUT為-5 V.因此，使用公式1，確定電源的最大輸入電壓可高達(dá)12 V.而最小輸入電壓VIN（min） ）對(duì)于逆變器電源必須大于最小器件電壓VDEV（min）。對(duì)于TPS54620，VDEV（最小值）為4.5 V.因此，如圖2所示，4.5至5.5 V的輸入范圍很容易得到圖3中基于TPS54620的逆變器電路的支持。

另外，使用公式在圖2中，可以針對(duì)期望的輸出電壓計(jì)算R4。在此示例中，R5設(shè)置為等于10kΩ，VREF設(shè)置為0.8 V.因此，使用等式2，然后計(jì)算R4為52.5kΩ。建議使用標(biāo)準(zhǔn)值52.3kΩ。

TI應(yīng)用筆記還向您展示了如何計(jì)算該逆變器電路的其他參數(shù)，例如占空比，輸出電流，工作頻率，電感值，輸出和輸入電容以及功耗。同樣，新一代凌力爾特公司的高壓同步降壓轉(zhuǎn)換器，如LT3845，可以為各種應(yīng)用實(shí)現(xiàn)正負(fù)轉(zhuǎn)換器。 Linear的設(shè)計(jì)說(shuō)明433標(biāo)題為“正負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器可用于穩(wěn)定輸出，即使輸入變化很大” 2 描述了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例顯示如何從正輸入到同步降壓控制器LT3854產(chǎn)生負(fù)電壓。在此示例中，同步控制器將9至15 V寬輸入轉(zhuǎn)換為-12 V，輸出為30 A.

電荷泵逆變器

電荷泵提供簡(jiǎn)單的無(wú)電感DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案，可以升壓，降壓或反轉(zhuǎn)輸入電壓，適用于各種低功耗，低成本應(yīng)用。通過(guò)消除電感，這些基于開(kāi)關(guān)電容的轉(zhuǎn)換器提供了緊湊的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，用于將正輸入轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出。

Maxim Integrated提供各種電荷泵，可為多種應(yīng)用產(chǎn)生正輸入負(fù)電壓。供應(yīng)商的應(yīng)用筆記782 3 說(shuō)明了使用MAX1681的負(fù)電壓逆變器。

Maxim提供的另一個(gè)應(yīng)用筆記（3659 4 ）提供了一個(gè)電荷泵轉(zhuǎn)換器電路，無(wú)負(fù)載時(shí)產(chǎn)生-10 V電壓，電壓超過(guò)200 mA 5V輸入。該電路中使用的電荷泵IC是MAX889，如圖4所示。它反轉(zhuǎn)輸入電壓，同時(shí)使得到的負(fù)輸出加倍。為此，它使用兩個(gè)肖特基二極管和輸出端的兩個(gè)電容來(lái)產(chǎn)生更高的輸出電壓，如圖所示。

圖4：電荷泵IC MAX889反轉(zhuǎn)正輸入電壓，同時(shí)使產(chǎn)生的負(fù)輸出加倍（由Maxim提供）。

總結(jié)

對(duì)于某些只有正電源的應(yīng)用，系統(tǒng)必須產(chǎn)生負(fù)電壓（有時(shí)甚至比正電壓軌的幅度更大）。本文討論了如何使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（降壓）或電荷泵來(lái)創(chuàng)建負(fù)電源。示意圖與方程式一起呈現(xiàn)，以便設(shè)計(jì)人員可以確定滿足其自身要求的最佳解決方案。引用的應(yīng)用筆記還包括樣本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以及捕獲的波形。