如何采用同步降壓穩(wěn)壓器創(chuàng)建負電源

有些應用，如雙端傳感器和音頻放大器，需要負電壓才能工作。由于當今系統(tǒng)板的空間有限，創(chuàng)建專用的負電源軌將增加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)生負電壓。

在介紹設計之前，作者討論了使用同步拓撲與非同步電路的優(yōu)勢使用同步設計的一個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，同步拓撲也保持連續(xù)導通模式（CCM），而不是非同步拓撲進入非連續(xù)導通模式（DCM）當通過電源電感的電流減小到零時.DCM模式下非同步拓撲的一些其他缺點是慢瞬態(tài)響應，以及DCM shif的慢補償噸。此外，它還需要電路板上的其他組件。使用同步拓撲可以消除這些缺點。

負轉(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計限制。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，因此最大負載電流不能超過通過內(nèi)部開關(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）對于具有負輸出電壓的逆變器，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)接地和輸出電壓點以實現(xiàn)負輸出電壓，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）。

事實上，TI通過使用其芯片TPS54620實現(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中描述了該設計的關(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）。

設計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調(diào)節(jié)器的最大操作裝置電壓。對于TPS54620，最大工作設備電壓VDEV（最大值）為17 V.

現(xiàn)在讓我們看兩個相關(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12 V.而最小輸入電壓VIN（min） ）對于逆變器電源必須大于最小器件電壓VDEV（min）。對于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，可以針對期望的輸出電壓計算R4。在此示例中，R5設置為等于10kΩ，VREF設置為0.8 V.因此，使用等式2，然后計算R4為52.5kΩ。建議使用標準值52.3kΩ。

TI應用筆記還向您展示了如何計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，可以為各種應用實現(xiàn)正負轉(zhuǎn)換器。 Linear的設計說明433標題為“正負電壓轉(zhuǎn)換器可用于穩(wěn)定輸出，即使輸入變化很大” 2 描述了一個設計實例顯示如何從正輸入到同步降壓控制器LT3854產(chǎn)生負電壓。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

電荷泵提供簡單的無電感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，低成本應用。通過消除電感，這些基于開關(guān)電容的轉(zhuǎn)換器提供了緊湊的簡單設計，用于將正輸入轉(zhuǎn)換為負輸出。

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

Maxim提供的另一個應用筆記（3659 4 ）提供了一個電荷泵轉(zhuǎn)換器電路，無負載時產(chǎn)生-10 V電壓，電壓超過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，同時使得到的負輸出加倍。為此，它使用兩個肖特基二極管和輸出端的兩個電容來產(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，同時使產(chǎn)生的負輸出加倍（由Maxim提供）。

總結(jié)

對于某些只有正電源的應用，系統(tǒng)必須產(chǎn)生負電壓（有時甚至比正電壓軌的幅度更大）。本文討論了如何使用開關(guān)穩(wěn)壓器（降壓）或電荷泵來創(chuàng)建負電源。示意圖與方程式一起呈現(xiàn)，以便設計人員可以確定滿足其自身要求的最佳解決方案。引用的應用筆記還包括樣本設計實現(xiàn)以及捕獲的波形。