專業(yè)音頻應(yīng)用中生成負(fù)電源軌的方案

專業(yè)音頻產(chǎn)品系統(tǒng)產(chǎn)品中會(huì)使用到多種多樣的運(yùn)算放大器，ADC和DAC等器件，這些器件有時(shí)候不僅需要正電源軌進(jìn)行供電，還會(huì)需要負(fù)電源軌進(jìn)行供電（例如常見(jiàn)的負(fù)電壓值有-5V，-12V和 -15V 等），且對(duì)供電電源軌的噪聲也相當(dāng)有要求。除了噪聲要求之外，根據(jù)專業(yè)音頻產(chǎn)品的形態(tài)分類，電源軌部分的設(shè)計(jì)還會(huì)考慮效率，PCB面積，成本等等因素。例如，帶電池的產(chǎn)品中希望電源軌的高效率以延遲電池的使用時(shí)長(zhǎng)； 手持式/便攜式產(chǎn)品中希望電源軌的外圍電路盡可能的簡(jiǎn)單以減小PCB面積從而滿足產(chǎn)品的體積要求。

生成正電源軌的不同方案已經(jīng)為大家所熟知，因此這篇博客主要跟大家分享一下不同的負(fù)電源軌生成方案，通過(guò)對(duì)比不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，來(lái)幫助大家選擇到適合自己產(chǎn)品的低噪聲，高效率的負(fù)電源軌設(shè)計(jì)方案。

目前市面上可見(jiàn)的幾種生成負(fù)電源軌的方案有：電荷泵芯片方案，使用升壓芯片結(jié)合電荷泵電路的方案，降壓芯片VOUT與GND反接方案，反向BUCK-BOOST芯片方案以及反向BUCK芯片方案 。其中反向降壓芯片方案為TI獨(dú)家方案。

1) 電荷泵芯片方案：

電荷泵芯片通常內(nèi)部組成主要為電容和開關(guān)，通過(guò)開關(guān)的開啟關(guān)閉來(lái)控制電荷泵內(nèi)部電容的充放電（即開關(guān)電容）來(lái)產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。以下為L(zhǎng)M2776的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖為例，在充電階段，S1與S3開關(guān)閉合 （S2和S4開關(guān)為斷開狀態(tài)），開關(guān)電容被連接在輸入電壓與地之間, 充電電容被充電到輸入電壓VIN；在放電階段，S2和S4開關(guān)閉合 （S1和S3為斷開狀態(tài)），此時(shí)開關(guān)電容的陽(yáng)極接地，陰極接VOUT，若負(fù)載電流為0，VOUT即為-VIN。若負(fù)載電流不為0，計(jì)算VOUT的值還需考慮MOSFET開關(guān)的寄生電阻，電容的ESR以及電容充放電時(shí)的電荷損失等。

電荷泵芯片產(chǎn)生負(fù)電源軌的外圍電路也很簡(jiǎn)單，不需要電感元件，只需要幾個(gè)常見(jiàn)的小電容，因此電荷泵芯片方案的成本也比較低。不過(guò)，在使用電荷泵芯片方案產(chǎn)生負(fù)電源軌的方案時(shí)，有兩個(gè)點(diǎn)需要注意：

電荷泵芯片產(chǎn)生負(fù)電源軌的方案能驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電流比較小，通常最大負(fù)載電流在200mA左右, 若驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載，VOUT會(huì)急劇變化且芯片效率也會(huì)受影響。

使用普通的電荷泵芯片產(chǎn)生的負(fù)輸出電壓的紋波都會(huì)比較大，若需要給運(yùn)放等對(duì)紋波有要求的模擬器件供電，還需要在負(fù)輸出電壓后添加一顆LDO芯片，以提高PSRR, 降低紋波及噪聲。

為了解決電荷泵芯片產(chǎn)生的負(fù)電源軌紋波大的問(wèn)題，德州儀器在LM2776的基礎(chǔ)上發(fā)展出了內(nèi)部集成了一顆負(fù)LDO的電荷泵芯片， LM27761。下圖為L(zhǎng)M27761的典型應(yīng)用示意圖：

您還可以通過(guò)使用TI免費(fèi)在線仿真軟件WEBENCH來(lái)創(chuàng)建LM27761的定制設(shè)計(jì)，進(jìn)行線上仿真，生成可導(dǎo)出的PCB文件及核算BOM。如下方為使用WEBENCH設(shè)計(jì)出來(lái)的LM27761參考電路，VIN=5.5V, VOUT=-5V, IOUT=50mA。

此外, 在某些應(yīng)用中，例如耳機(jī)等，敏感的模擬負(fù)載需要兩個(gè)供電電壓：一個(gè)正電壓和一個(gè)負(fù)電壓， 且兩個(gè)供電電源軌都需要干凈。如果電源輸入端（例如單節(jié)鋰電池）上存在一些噪聲，正電壓處也需要一個(gè)LDO才能將噪聲降至可接受范圍。此時(shí)，LM27762是個(gè)不錯(cuò)的選擇， 它的內(nèi)部同時(shí)集成了正LDO與負(fù)LDO，能同時(shí)產(chǎn)生正負(fù)兩個(gè)低噪的輸出電壓給敏感器件供電。下方是LM27762的典型電路, 更多應(yīng)用及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，您還可以參考TI的參考設(shè)計(jì)TIDA-01341 Hi-Fi 耳機(jī)放大器設(shè)計(jì)。

2) 使用升壓芯片結(jié)合電荷泵電路方案：

該方法需要使用到一顆通用升壓開關(guān)電源芯片及一個(gè)由開關(guān)電容和二極管搭成的電荷泵電路。如下是該方案的參考示意圖，使用了一顆性價(jià)比較高的升壓開關(guān)電源芯片，TLV61048。當(dāng)TLV61048的內(nèi)部開關(guān)斷開的時(shí)候，SW引腳處電壓為：（輸出正輸出電壓-D1上的電壓），開關(guān)電容被充電。當(dāng)TLV61048的內(nèi)部開關(guān)閉合的時(shí)候，電荷泵電路部分與TLV61048內(nèi)部開關(guān)與地形成一個(gè)閉合環(huán)路，開關(guān)電容開始放電，負(fù)電壓輸出產(chǎn)生。如下方案中具體的電路設(shè)計(jì)及元器件選型可參考TI應(yīng)用文檔SLVAEJ3。

此種方案的優(yōu)點(diǎn)是效率比使用電荷泵芯片的方案要高，不過(guò)與使用電荷泵芯片產(chǎn)生的負(fù)輸出電壓類似，它產(chǎn)生的負(fù)輸出電壓的紋波也會(huì)比較大。因此，在給對(duì)噪聲敏感的元器件供電時(shí)，需要在輸出的正負(fù)電源軌后方添加個(gè)LDO來(lái)提高PSRR及減少噪聲。TPS7A39是一顆雙通道，正負(fù)電壓輸入和正負(fù)電壓輸出，低噪聲，高PSRR的LDO芯片，可直接連接在使用升壓芯片結(jié)合電荷泵電路產(chǎn)生的正負(fù)電壓之后。

3) 使用降壓開關(guān)電源芯片VOUT與GND反接方案：

使用降壓開關(guān)電源芯片VOUT與GND反接的方法是最為常見(jiàn)的，只需使用一顆通用的降壓開關(guān)電源芯片，把VOUT與GND反接即可。下方該方案的參考示意圖中使用了一顆通用的TI降壓開關(guān)電源芯片， 具有寬輸入電壓范圍，內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償?shù)腡PS54x02家族芯片。在使用降壓開關(guān)電源芯片VOUT與GND反接方案的時(shí)候，有幾個(gè)點(diǎn)需要格外注意：

在選擇降壓開關(guān)電源芯片的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)確認(rèn)該芯片的輸入及輸出電壓的可承受范圍范圍以及考慮輸出電流的可承受范圍。當(dāng)降壓開關(guān)電源芯片被用作反向電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的時(shí)候，此降壓開關(guān)電源芯片的輸入范圍會(huì)減小。

當(dāng)使用降壓開關(guān)電源芯片VOUT與GND反接方案的時(shí)候，右半邊平面零點(diǎn)會(huì)增加電路的不穩(wěn)定性，為了避免內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償帶來(lái)的影響，提高電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，輸出電容及電感的選擇需要格外謹(jǐn)慎。

詳細(xì)的計(jì)算步驟可參考TI應(yīng)用文檔SLVA933以及TI的參考設(shè)計(jì)TIDA-01457適用于小型低噪聲系統(tǒng)的 3V 至 11.5V 輸入電壓、-5V 輸出電壓、1.5A 反相電源模塊參考設(shè)計(jì)。此方法產(chǎn)生的負(fù)電源軌紋波與所選擇的降壓開關(guān)電源芯片有直接關(guān)系，選擇低紋波高性能的降壓開關(guān)電源芯片，則產(chǎn)生的負(fù)輸出電壓也會(huì)比較低；若選用高性價(jià)比的通用降壓開關(guān)電源芯片，紋波會(huì)比較大，建議給對(duì)噪聲有要求的敏感元器件供電時(shí)，也接一個(gè)LDO。

4) 反向DC/DC芯片方案：

除了電荷泵電源芯片方案能直接使用單顆芯片來(lái)產(chǎn)生負(fù)輸出電壓，TI還有另外兩個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能直接生成負(fù)輸出電壓的單顆芯片方案：反向BUCK-BOOST芯片和反向BUCK芯片，其中反向BUCK芯片為TI獨(dú)家芯片。

反向BUCK-BOOST芯片推薦： TPS63700:

-可調(diào)節(jié)輸出最低至-15V

-輸入電壓范圍：2.7V至5.5V

-最大可到360mA的輸出電流

-高達(dá)84%的效率

-1.4MH固定頻率PWM工作模式

-過(guò)溫保護(hù)

反向BUCK芯片推薦：TPS63710

-輸入電壓范圍：3.1V至14V

-輸出電壓范圍：-1V至-5.5V

-輸出電流為1A

-效率高達(dá)91%

-低噪聲：22uVRMS (10Hz至100KHz)

-1.5MHz 固定頻率 PWM 模式

-|VOUT| < 0.7 x VIN

給對(duì)噪聲敏感的元器件提供負(fù)電壓軌時(shí)可直接使用TPS63710，不需要再添加額外的LDO芯片。

下圖是使用WEBENCH線上仿真工具生成的TPS63710參考電路，VIN=12V, VOUT=-5V, IOUT=1A：

總結(jié)一下以上四種主要的負(fù)電源軌生成方案，電荷泵芯片方案是最為簡(jiǎn)單且性價(jià)比較高的方案，但是適用于200mA以下負(fù)載電流的應(yīng)用場(chǎng)景；反向BUCK-BOOST芯片方案可輸出絕對(duì)值更大的負(fù)電壓及滿足更大的負(fù)載電流需求，它的效率也會(huì)比電荷泵芯片方案略高，不過(guò)單顆反向BUCK-BOOST芯片產(chǎn)生的負(fù)輸出電壓紋波及噪聲較大，給對(duì)噪聲敏感的運(yùn)放等元器件供電時(shí)，需要添加額外的負(fù)LDO；反向BUCK芯片方案是效率最高的方案，且不需要添加額外的LDO即可產(chǎn)生低噪且紋波小的負(fù)輸出電壓。每個(gè)方案都有每個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)，還需結(jié)合您產(chǎn)品的特性并加以斟酌。

審核編輯：郭婷