从正电压源产生负电压

物联网 (IoT) 设备、工业传感器、仪表、精密设备和医疗设备通常需要正电压和负电压。通常，这些电压必须是对称的，并且来自单个电源。各种电子设计都需要电源中的一个或多个负电压，通常与对称正电压一起出现。一些典型的应用示例是：

· 在电动汽车充电器和牵引逆变器的栅极驱动器中(例如驱动氮化镓 (GaN) FET 和隔离栅双极晶体管 (IGBT))。

· 用于工业和医疗应用的高性能 ADC 和 DAC 以及轨到轨运算放大器 (op amps)。

· 用于消费产品的 LCD 显示器。

· 驱动(雪崩)光电二极管。

· 在X射线等医疗应用中。

以下详细介绍了此类设计的两个典型框图。

栅极驱动器

对于大功率开关电源和电机驱动器，通常需要负驱动电压，这是因为：

· 系统可能没有紧密放置和耦合的 PCB 布局，其电路接地通常与系统周围的噪声耦合，并且可能在地面附近波动。

· IGBT、碳化硅 (SiC) 或 GaN FET 等主要功率器件通常放置在距离栅极控制电路几厘米的地方，除非它们全部安装在模块内。因此，栅极驱动器发出的信号在到达功率器件时可能会失真，因此需要额外的安全裕度。

· GaN FET 等先进功率器件通常具有较低的开启阈值，这使得它们对栅极电压振铃更加敏感。一些高压 GaN FET 可能具有较高的 CGD 或较大的工艺变化，这可能会导致米勒效应引起的开启。在这种情况下，建议最终客户施加负栅极电压以确保器件保持其关闭状态。对于某些类型的 IGBT，需要负电压才能完全关闭。

一个例子是使用隔离驱动器ADuM4120。在这种应用中，电源设备由正电压(如 V1)和负电压(如 V2)驱动，如图 1 所示。

图 1。双极电源设置示例。

轨至轨运算放大器

对于各种信号调节应用，轨到轨运算放大器通常用于输出需要具有接近电源的宽跨度、输入围绕参考摆动或需要最高精度的情况。图 2 显示了唱机前置放大器系统的典型示例。此设计需要一个正 15 V 和一个负 15 V。

图 2. 超低噪声 1M TIA 光电二极管放大器的典型应用电路。

要求

从主电源产生正电压的 IC 拓扑通常很容易理解，包括低压差 (LDO) 稳压器、降压、升压、降压-升压等。然而，之前的出版物并没有深入讨论产生负电压的选择和折衷。让我们来看看一些要求和设计挑战。

隔离

有时，± 电压需要与电源隔离，这主要是出于安全原因或没有共同接地。例如，在电动汽车动力系统中，12 V 控制总线主要由辅助 12 V 电池供电。必须将其隔离以控制高压电池，这样任何低压故障都不会导致安全隐患。这种 12 V 通常会转换为 ±5 V 或 ±15 V 并进行电流隔离，以向牵引逆变器或充电器中的多个信号链和驱动器 IC 供电。其他工业逆变器(如光伏逆变器或电机驱动器)也可能需要隔离。

紧凑尺寸

对于某些应用(例如医疗患者监护仪)，小型化是关键的设计目标。此类设备需要通过多个高精度转换器读取和放大各种传感器信号。非常需要一种微型解决方案来产生 ± 电压来为此类转换器供电。

效率

提高效率通常是任何新设计的目标。例如，运算放大器应用中的一个常见趋势是使用较低的轨电压(如果输出端没有发现明显的失真)，并且生成这些轨电压所需的功率越少，效率就越高。

时间和对称性

对于像医疗X射线这样的特殊应用，±电压可能不需要高精度，但它们必须对称，并且绝对值差异最小，因此最好对两个电压进行精确的调节和时序控制。

解决方案

解决方案按复杂性和总体性能的顺序列出，并显示了优缺点以供比较。

齐纳二极管

无需 IC 即可产生 ± 电压的一种简单方法是使用齐纳二极管，如图 3 所示。在此解决方案中，V3 源的输出由 Dz 和 Rz 分割。如果 V3 为 9 V，Dz 为 5 V 齐纳二极管，则栅极将由 +5 V 和 -4 V 驱动。此方法提供了一种低成本解决方案，因为它不需要额外的 IC。但是，此解决方案效率极低，不适用于需要数十毫安和良好调节的输出电压的应用。因此，这种拓扑结构并不常用。

图 3。负电压齐纳二极管轨示例。

电荷泵

使用电荷泵是一种方便的方法来反转正输入，因为不需要磁性元件。有许多电荷泵 IC 可以实现此功能，并且在不同情况下是首选。

对于低功耗需求，Analog Devices 提供了多种稳压和非稳压电荷泵，例如图 4 中的LTC1983。虽然这种解决方案非常简单，体积小，但缺点是效率低，并且可能产生高电磁干扰 (EMI)。此类器件的负载电流有限，通常用于需要小于 100 mA 的应用。

图 4. 100 mA DC-DC 转换器的典型应用电路(-3 V)。

另外，为了避免对其他敏感电路(尤其是医疗设备、传感和通信应用)的干扰，ADI 提供了LTC3265等产品，该产品将低噪声 LDO 稳压器集成到每个双电荷泵输出(图 5)。虽然输出电流限制为 50 mA，但该解决方案对 EMI 更加友好，并且仅在一个 IC 中集成了正负输出轨。由于输出噪声非常低，它在精密仪器应用中非常有用，可以驱动低功耗运算放大器和数据转换器。

图 5. 由单个 12 V 输入产生低噪声 ±15 V 输出的典型应用电路。

在需要高负载电流正电压轨(用于系统电源)和较小负载电流负电压轨(用于偏置或参考)的应用中，分立负电压电荷泵可应用于几乎任何降压或升压调节器，无需额外的 IC。

反相转换器

电荷泵在输入/输出组合已知且无需精确调节的情况下相对更有用，并且相关的噪声干扰可以通过额外的滤波来解决。对于输入或输出电压范围广泛且调节要求严格的应用，建议使用基于电感的开关模式拓扑。

有一些这样的拓扑可以处理正到负的转换，通常都被归类为反相拓扑，可能会让工程师感到困惑。虽然它们通常可以执行相同的电源转换任务，但设计

折衷方案。以下是三种典型拓扑。前两种类似;但是，使用降压 IC 提供了更多选择，即使它们不是专门设计用于产生负电压。

· 使用降压 IC 的反相降压-升压转换器

· 独立反相降压升压转换器

· 双电感器 (CÜK) 反相降压-升压转换器

拓扑 (1)：使用降压 IC 的反相降压-升压转换器

当典型同步降压转换器的输出侧与电路接地切换时，就会创建一个反相降压-升压 (IBB) 转换器，如图 6 所示。这种方法很受欢迎，因为市场上有许多同步降压稳压器或控制器可供选择。对于噪声敏感型应用，ADI 的Silent Switcher单片降压稳压器(例如采用 Silent Switcher 3 技术的LT8624S)可以配置为 IBB，以产生具有出色宽带和 EMI 噪声性能的负电压轨。图 6 显示了 LT8624S 作为 IBB 的示例电路，可在文章“噪声敏感型应用的快速瞬态负电压轨”中找到“。为了进一步过滤，可以将低噪声负输入 LDO 稳压器添加到输出。如果在使用此拓扑时需要更高的功率，ADI 提供多种带有外部 FET 的同步降压控制器选项。

图 6. 使用 LT8624S 降压 IC 的 IBB 转换器。

这里的缺点是 IC 指的是降压转换器接地，而不是系统接地(即输出的正极)。如果需要微控制器执行启用、SYNC 或仅接收 PGOOD 信号等功能，则可能需要外部电平转换器电路，这可能会带来不便。如果使用无需外部感测或控制的转换器，则最好使用降压 IC 作为 IBB，因为它具有更广泛的选择。所有电压和电流额定值下的降压负载点转换器都可以以这种方式配置，但大多数都需要外部电平转换器进行外部控制。

拓扑(2)：独立反相降压-升压转换器

当应用中不需要外部电平转换器时，有两种解决方案：使用异步 IBB，或将电平转换器集成到降压 IC 中。例如：

异步 IBB：可以使用 PMOS 作为主开关并使用二极管代替同步开关来设计异步 IBB。这样，IC 就可以参考系统接地，而无需电平转换器。此处，输出负载的正极连接到输入接地。此处的 IC 选项可以是LTC3863，如图 7 所示。它通常比使用降压 IC 效率低，因为 PMOS 和二极管的损耗通常比基于 NMOS 的同步转换器更大。

图 7。异步 IBB 转换器。

集成电平转换器的降压型 IBB：使用降压 IC 作为 IBB 时，无需使用外部电平转换器，每个输入和输出信号都可以在 IC 中集成自己的电平转换器。这为设计人员提供了便利。例如，MAX17577 / MAX17578和MAX17579 / MAX17580是基于降压的 IBB 转换器，在 EN 和 RESET 引脚处集成了电平转换器。

如果需要高功率和高效率，则建议使用LTC3896。它是一款更复杂、高性能的同步开关控制器，带有集成电平转换器。虽然它采用 38 引线 TSSOP 封装，体积相对较大，但能效很高，并且支持两个开关的 NMOS。建议将此设备用于功率要求大于 100 W 的情况。

拓扑 (3)：双电感 (CÜK) 反相降压-升压转换器

当开关噪声成为问题时，CÜK 转换器可以产生比 IBB 转换器噪声更小的负输出电压。该拓扑如图 8 所示，具有两个电感器和一个耦合电容器。该转换器的优势在于其简单性，只需要一个低侧开关来反转输入，它可以是 NMOS，因此效率很高。例如，LT8330只需要 8 个引脚，设计并不困难。该 IC 是 ADI 的稳压器之一，具有两个集成误差放大器，使其能够检测正或负输出电压。类似的稳压器如LT8331、LT8333、LT8334、LT8570和LT8580提供不同的等级和功能以满足各种常见的应用需求。

图 8。简化的反相转换器。

虽然这种拓扑确实需要两个电感，但如果两个电感如图 8 所示耦合，则输出纹波会显著减少，并可能节省输出电容尺寸。此外，由于输入和输出侧各有一个电感，因此电流是连续的，整个电路的噪声可能比其他拓扑低。如果需要更多功率，带有外部低侧 FET 的控制器 IC(例如LT3758)可能是一个不错的选择。

反激式转换器

如果需要变压器用于隔离目的(例如在反激式转换器中)，则通过在输出侧添加另一个绕组，可以非常轻松地创建±输出电压。在这里，在变压器上，通过设置不同方向的多个绕组以及阻塞二极管，可以产生正电压或负电压，如图 9 所示。例如，LT8306不需要光耦合器进行反馈，从而节省了物料清单。

虽然方便，但产生的负电压是不受调节的，如果需要调节，建议在输出端添加另一个负输入 LDO 调节器。

图 9. 具有多个输出绕组的典型反激式转换器。

特殊双多拓扑转换器

考虑到大多数需要负输出的应用也需要互补的正输出，ADI 提供了多种解决方案，这些解决方案使用前面提到的拓扑并在一个 IC 内提供两个或更多个 ± 电压。

这样的例子有：

· 双 42 VIN、3 A 升压/反相稳压器 LT8582;

· 双 50 VIN、2 A 多拓扑稳压器 LT8471;

· 双 5.5 VIN、2 A/1.2 A 升压/反相调节器 ADP5076;

· 3通道60 V隔离微功率管理单元ADP1034

图 10. 5 V 至 ± 12 V 升压和反相转换器的典型应用电路。

电源模块解决方案

对于许多需要超小型解决方案尺寸或现成的全集成电源解决方案的工程师来说，可以考虑微型电源模块。

例如，LTM4655是一款 40 V IN、双 4 A 反相 μModule 稳压器，具有两个完全独立的输出通道，每个通道均可配置为正输出或负输出，并且已符合 EN550222 B 类标准，具有低 EMI 性能。它节省了大量的设计和故障排除工作。

LTM8049是另一个不错的选择，其输入电压高达 20 V ，两个输出分别为高达 +24 V 或低至 -24 V。

结论

在系统中添加负电压轨并不方便——IC 供应商提供无负电压作为解决方案优势。例如，GaNFET 制造商说服客户不要使用负栅极驱动，而运算放大器制造商则推荐性能更好的单电源运算放大器。然而，在许多高端应用中，产生负电压的需求仍然存在。

表 1 列出了本文中提到的一些解决方案的比较，以供参考。由于 ADI 公司生产数千种不同拓扑和不同额定值的适用 IC，因此建议的限制和一般特性可能具有主观性，并且因每个零件编号而异。

表 1. 产生负电压的各种拓扑结构