從正電壓源產(chǎn)生負(fù)電壓

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備、工業(yè)傳感器、儀表、精密設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備通常需要正電壓和負(fù)電壓。通常，這些電壓必須是對稱的，并且來自單個電源。各種電子設(shè)計都需要電源中的一個或多個負(fù)電壓，通常與對稱正電壓一起出現(xiàn)。一些典型的應(yīng)用示例是：

· 在電動汽車充電器和牽引逆變器的柵極驅(qū)動器中(例如驅(qū)動氮化鎵 (GaN) FET 和隔離柵雙極晶體管 (IGBT))。

· 用于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的高性能 ADC 和 DAC 以及軌到軌運(yùn)算放大器 (op amps)。

· 用于消費(fèi)產(chǎn)品的 LCD 顯示器。

· 驅(qū)動(雪崩)光電二極管。

· 在X射線等醫(yī)療應(yīng)用中。

以下詳細(xì)介紹了此類設(shè)計的兩個典型框圖。

柵極驅(qū)動器

對于大功率開關(guān)電源和電機(jī)驅(qū)動器，通常需要負(fù)驅(qū)動電壓，這是因為：

· 系統(tǒng)可能沒有緊密放置和耦合的 PCB 布局，其電路接地通常與系統(tǒng)周圍的噪聲耦合，并且可能在地面附近波動。

· IGBT、碳化硅 (SiC) 或 GaN FET 等主要功率器件通常放置在距離柵極控制電路幾厘米的地方，除非它們?nèi)堪惭b在模塊內(nèi)。因此，柵極驅(qū)動器發(fā)出的信號在到達(dá)功率器件時可能會失真，因此需要額外的安全裕度。

· GaN FET 等先進(jìn)功率器件通常具有較低的開啟閾值，這使得它們對柵極電壓振鈴更加敏感。一些高壓 GaN FET 可能具有較高的 CGD 或較大的工藝變化，這可能會導(dǎo)致米勒效應(yīng)引起的開啟。在這種情況下，建議最終客戶施加負(fù)柵極電壓以確保器件保持其關(guān)閉狀態(tài)。對于某些類型的 IGBT，需要負(fù)電壓才能完全關(guān)閉。

一個例子是使用隔離驅(qū)動器ADuM4120。在這種應(yīng)用中，電源設(shè)備由正電壓(如 V1)和負(fù)電壓(如 V2)驅(qū)動，如圖 1 所示。

圖 1。雙極電源設(shè)置示例。

軌至軌運(yùn)算放大器

對于各種信號調(diào)節(jié)應(yīng)用，軌到軌運(yùn)算放大器通常用于輸出需要具有接近電源的寬跨度、輸入圍繞參考擺動或需要最高精度的情況。圖 2 顯示了唱機(jī)前置放大器系統(tǒng)的典型示例。此設(shè)計需要一個正 15 V 和一個負(fù) 15 V。

圖 2. 超低噪聲 1M TIA 光電二極管放大器的典型應(yīng)用電路。

要求

從主電源產(chǎn)生正電壓的 IC 拓?fù)渫ǔ：苋菀桌斫?，包括低壓?(LDO) 穩(wěn)壓器、降壓、升壓、降壓-升壓等。然而，之前的出版物并沒有深入討論產(chǎn)生負(fù)電壓的選擇和折衷。讓我們來看看一些要求和設(shè)計挑戰(zhàn)。

隔離

有時，± 電壓需要與電源隔離，這主要是出于安全原因或沒有共同接地。例如，在電動汽車動力系統(tǒng)中，12 V 控制總線主要由輔助 12 V 電池供電。必須將其隔離以控制高壓電池，這樣任何低壓故障都不會導(dǎo)致安全隱患。這種 12 V 通常會轉(zhuǎn)換為 ±5 V 或 ±15 V 并進(jìn)行電流隔離，以向牽引逆變器或充電器中的多個信號鏈和驅(qū)動器 IC 供電。其他工業(yè)逆變器(如光伏逆變器或電機(jī)驅(qū)動器)也可能需要隔離。

緊湊尺寸

對于某些應(yīng)用(例如醫(yī)療患者監(jiān)護(hù)儀)，小型化是關(guān)鍵的設(shè)計目標(biāo)。此類設(shè)備需要通過多個高精度轉(zhuǎn)換器讀取和放大各種傳感器信號。非常需要一種微型解決方案來產(chǎn)生 ± 電壓來為此類轉(zhuǎn)換器供電。

效率

提高效率通常是任何新設(shè)計的目標(biāo)。例如，運(yùn)算放大器應(yīng)用中的一個常見趨勢是使用較低的軌電壓(如果輸出端沒有發(fā)現(xiàn)明顯的失真)，并且生成這些軌電壓所需的功率越少，效率就越高。

時間和對稱性

對于像醫(yī)療X射線這樣的特殊應(yīng)用，±電壓可能不需要高精度，但它們必須對稱，并且絕對值差異最小，因此最好對兩個電壓進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)和時序控制。

解決方案

解決方案按復(fù)雜性和總體性能的順序列出，并顯示了優(yōu)缺點(diǎn)以供比較。

齊納二極管

無需 IC 即可產(chǎn)生 ± 電壓的一種簡單方法是使用齊納二極管，如圖 3 所示。在此解決方案中，V3 源的輸出由 Dz 和 Rz 分割。如果 V3 為 9 V，Dz 為 5 V 齊納二極管，則柵極將由 +5 V 和 -4 V 驅(qū)動。此方法提供了一種低成本解決方案，因為它不需要額外的 IC。但是，此解決方案效率極低，不適用于需要數(shù)十毫安和良好調(diào)節(jié)的輸出電壓的應(yīng)用。因此，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不常用。

圖 3。負(fù)電壓齊納二極管軌示例。

電荷泵

使用電荷泵是一種方便的方法來反轉(zhuǎn)正輸入，因為不需要磁性元件。有許多電荷泵 IC 可以實現(xiàn)此功能，并且在不同情況下是首選。

對于低功耗需求，Analog Devices 提供了多種穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓電荷泵，例如圖 4 中的LTC1983。雖然這種解決方案非常簡單，體積小，但缺點(diǎn)是效率低，并且可能產(chǎn)生高電磁干擾 (EMI)。此類器件的負(fù)載電流有限，通常用于需要小于 100 mA 的應(yīng)用。

圖 4. 100 mA DC-DC 轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用電路(-3 V)。

另外，為了避免對其他敏感電路(尤其是醫(yī)療設(shè)備、傳感和通信應(yīng)用)的干擾，ADI 提供了LTC3265等產(chǎn)品，該產(chǎn)品將低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器集成到每個雙電荷泵輸出(圖 5)。雖然輸出電流限制為 50 mA，但該解決方案對 EMI 更加友好，并且僅在一個 IC 中集成了正負(fù)輸出軌。由于輸出噪聲非常低，它在精密儀器應(yīng)用中非常有用，可以驅(qū)動低功耗運(yùn)算放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

圖 5. 由單個 12 V 輸入產(chǎn)生低噪聲 ±15 V 輸出的典型應(yīng)用電路。

在需要高負(fù)載電流正電壓軌(用于系統(tǒng)電源)和較小負(fù)載電流負(fù)電壓軌(用于偏置或參考)的應(yīng)用中，分立負(fù)電壓電荷泵可應(yīng)用于幾乎任何降壓或升壓調(diào)節(jié)器，無需額外的 IC。

反相轉(zhuǎn)換器

電荷泵在輸入/輸出組合已知且無需精確調(diào)節(jié)的情況下相對更有用，并且相關(guān)的噪聲干擾可以通過額外的濾波來解決。對于輸入或輸出電壓范圍廣泛且調(diào)節(jié)要求嚴(yán)格的應(yīng)用，建議使用基于電感的開關(guān)模式拓?fù)洹?

有一些這樣的拓?fù)淇梢蕴幚碚截?fù)的轉(zhuǎn)換，通常都被歸類為反相拓?fù)洌赡軙尮こ處煾械嚼Щ?。雖然它們通?？梢詧?zhí)行相同的電源轉(zhuǎn)換任務(wù)，但設(shè)計

折衷方案。以下是三種典型拓?fù)洹Ｇ皟煞N類似;但是，使用降壓 IC 提供了更多選擇，即使它們不是專門設(shè)計用于產(chǎn)生負(fù)電壓。

· 使用降壓 IC 的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

· 獨(dú)立反相降壓升壓轉(zhuǎn)換器

· 雙電感器 (CüK) 反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

拓?fù)?(1)：使用降壓 IC 的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

當(dāng)?shù)湫屯浇祲恨D(zhuǎn)換器的輸出側(cè)與電路接地切換時，就會創(chuàng)建一個反相降壓-升壓 (IBB) 轉(zhuǎn)換器，如圖 6 所示。這種方法很受歡迎，因為市場上有許多同步降壓穩(wěn)壓器或控制器可供選擇。對于噪聲敏感型應(yīng)用，ADI 的Silent Switcher單片降壓穩(wěn)壓器(例如采用 Silent Switcher 3 技術(shù)的LT8624S)可以配置為 IBB，以產(chǎn)生具有出色寬帶和 EMI 噪聲性能的負(fù)電壓軌。圖 6 顯示了 LT8624S 作為 IBB 的示例電路，可在文章“噪聲敏感型應(yīng)用的快速瞬態(tài)負(fù)電壓軌”中找到“。為了進(jìn)一步過濾，可以將低噪聲負(fù)輸入 LDO 穩(wěn)壓器添加到輸出。如果在使用此拓?fù)鋾r需要更高的功率，ADI 提供多種帶有外部 FET 的同步降壓控制器選項。

圖 6. 使用 LT8624S 降壓 IC 的 IBB 轉(zhuǎn)換器。

這里的缺點(diǎn)是 IC 指的是降壓轉(zhuǎn)換器接地，而不是系統(tǒng)接地(即輸出的正極)。如果需要微控制器執(zhí)行啟用、SYNC 或僅接收 PGOOD 信號等功能，則可能需要外部電平轉(zhuǎn)換器電路，這可能會帶來不便。如果使用無需外部感測或控制的轉(zhuǎn)換器，則最好使用降壓 IC 作為 IBB，因為它具有更廣泛的選擇。所有電壓和電流額定值下的降壓負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器都可以以這種方式配置，但大多數(shù)都需要外部電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行外部控制。

拓?fù)?2)：獨(dú)立反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

當(dāng)應(yīng)用中不需要外部電平轉(zhuǎn)換器時，有兩種解決方案：使用異步 IBB，或?qū)㈦娖睫D(zhuǎn)換器集成到降壓 IC 中。例如：

異步 IBB：可以使用 PMOS 作為主開關(guān)并使用二極管代替同步開關(guān)來設(shè)計異步 IBB。這樣，IC 就可以參考系統(tǒng)接地，而無需電平轉(zhuǎn)換器。此處，輸出負(fù)載的正極連接到輸入接地。此處的 IC 選項可以是LTC3863，如圖 7 所示。它通常比使用降壓 IC 效率低，因為 PMOS 和二極管的損耗通常比基于 NMOS 的同步轉(zhuǎn)換器更大。

圖 7。異步 IBB 轉(zhuǎn)換器。

集成電平轉(zhuǎn)換器的降壓型 IBB：使用降壓 IC 作為 IBB 時，無需使用外部電平轉(zhuǎn)換器，每個輸入和輸出信號都可以在 IC 中集成自己的電平轉(zhuǎn)換器。這為設(shè)計人員提供了便利。例如，MAX17577 / MAX17578和MAX17579 / MAX17580是基于降壓的 IBB 轉(zhuǎn)換器，在 EN 和 RESET 引腳處集成了電平轉(zhuǎn)換器。

如果需要高功率和高效率，則建議使用LTC3896。它是一款更復(fù)雜、高性能的同步開關(guān)控制器，帶有集成電平轉(zhuǎn)換器。雖然它采用 38 引線 TSSOP 封裝，體積相對較大，但能效很高，并且支持兩個開關(guān)的 NMOS。建議將此設(shè)備用于功率要求大于 100 W 的情況。

拓?fù)?(3)：雙電感 (CüK) 反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

當(dāng)開關(guān)噪聲成為問題時，CüK 轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生比 IBB 轉(zhuǎn)換器噪聲更小的負(fù)輸出電壓。該拓?fù)淙鐖D 8 所示，具有兩個電感器和一個耦合電容器。該轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢在于其簡單性，只需要一個低側(cè)開關(guān)來反轉(zhuǎn)輸入，它可以是 NMOS，因此效率很高。例如，LT8330只需要 8 個引腳，設(shè)計并不困難。該 IC 是 ADI 的穩(wěn)壓器之一，具有兩個集成誤差放大器，使其能夠檢測正或負(fù)輸出電壓。類似的穩(wěn)壓器如LT8331、LT8333、LT8334、LT8570和LT8580提供不同的等級和功能以滿足各種常見的應(yīng)用需求。

圖 8。簡化的反相轉(zhuǎn)換器。

雖然這種拓?fù)浯_實需要兩個電感，但如果兩個電感如圖 8 所示耦合，則輸出紋波會顯著減少，并可能節(jié)省輸出電容尺寸。此外，由于輸入和輸出側(cè)各有一個電感，因此電流是連續(xù)的，整個電路的噪聲可能比其他拓?fù)涞?。如果需要更多功率，帶有外部低?cè) FET 的控制器 IC(例如LT3758)可能是一個不錯的選擇。

反激式轉(zhuǎn)換器

如果需要變壓器用于隔離目的(例如在反激式轉(zhuǎn)換器中)，則通過在輸出側(cè)添加另一個繞組，可以非常輕松地創(chuàng)建±輸出電壓。在這里，在變壓器上，通過設(shè)置不同方向的多個繞組以及阻塞二極管，可以產(chǎn)生正電壓或負(fù)電壓，如圖 9 所示。例如，LT8306不需要光耦合器進(jìn)行反饋，從而節(jié)省了物料清單。

雖然方便，但產(chǎn)生的負(fù)電壓是不受調(diào)節(jié)的，如果需要調(diào)節(jié)，建議在輸出端添加另一個負(fù)輸入 LDO 調(diào)節(jié)器。

圖 9. 具有多個輸出繞組的典型反激式轉(zhuǎn)換器。

特殊雙多拓?fù)滢D(zhuǎn)換器

考慮到大多數(shù)需要負(fù)輸出的應(yīng)用也需要互補(bǔ)的正輸出，ADI 提供了多種解決方案，這些解決方案使用前面提到的拓?fù)洳⒃谝粋€ IC 內(nèi)提供兩個或更多個 ± 電壓。

這樣的例子有：

· 雙 42 VIN、3 A 升壓/反相穩(wěn)壓器 LT8582;

· 雙 50 VIN、2 A 多拓?fù)浞€(wěn)壓器 LT8471;

· 雙 5.5 VIN、2 A/1.2 A 升壓/反相調(diào)節(jié)器 ADP5076;

· 3通道60 V隔離微功率管理單元ADP1034

圖 10. 5 V 至 ± 12 V 升壓和反相轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用電路。

電源模塊解決方案

對于許多需要超小型解決方案尺寸或現(xiàn)成的全集成電源解決方案的工程師來說，可以考慮微型電源模塊。

例如，LTM4655是一款 40 V IN、雙 4 A 反相 μModule 穩(wěn)壓器，具有兩個完全獨(dú)立的輸出通道，每個通道均可配置為正輸出或負(fù)輸出，并且已符合 EN550222 B 類標(biāo)準(zhǔn)，具有低 EMI 性能。它節(jié)省了大量的設(shè)計和故障排除工作。

LTM8049是另一個不錯的選擇，其輸入電壓高達(dá) 20 V ，兩個輸出分別為高達(dá) +24 V 或低至 -24 V。

結(jié)論

在系統(tǒng)中添加負(fù)電壓軌并不方便——IC 供應(yīng)商提供無負(fù)電壓作為解決方案優(yōu)勢。例如，GaNFET 制造商說服客戶不要使用負(fù)柵極驅(qū)動，而運(yùn)算放大器制造商則推薦性能更好的單電源運(yùn)算放大器。然而，在許多高端應(yīng)用中，產(chǎn)生負(fù)電壓的需求仍然存在。

表 1 列出了本文中提到的一些解決方案的比較，以供參考。由于 ADI 公司生產(chǎn)數(shù)千種不同拓?fù)浜筒煌~定值的適用 IC，因此建議的限制和一般特性可能具有主觀性，并且因每個零件編號而異。

表 1. 產(chǎn)生負(fù)電壓的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)