從正電壓源產生負電壓

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

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

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

· 用于消費產品的 LCD 顯示器。

· 驅動(雪崩)光電二極管。

· 在X射線等醫(yī)療應用中。

以下詳細介紹了此類設計的兩個典型框圖。

柵極驅動器

對于大功率開關電源和電機驅動器，通常需要負驅動電壓，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，除非它們全部安裝在模塊內。因此，柵極驅動器發(fā)出的信號在到達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，這可能會導致米勒效應引起的開啟。在這種情況下，建議最終客戶施加負柵極電壓以確保器件保持其關閉狀態(tài)。對于某些類型的 IGBT，需要負電壓才能完全關閉。

一個例子是使用隔離驅動器ADuM4120。在這種應用中，電源設備由正電壓(如 V1)和負電壓(如 V2)驅動，如圖 1 所示。

圖 1。雙極電源設置示例。

軌至軌運算放大器

對于各種信號調節(jié)應用，軌到軌運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 顯示了唱機前置放大器系統(tǒng)的典型示例。此設計需要一個正 15 V 和一個負 15 V。

圖 2. 超低噪聲 1M TIA 光電二極管放大器的典型應用電路。

要求

從主電源產生正電壓的 IC 拓撲通常很容易理解，包括低壓差 (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生負電壓的選擇和折衷。讓我們來看看一些要求和設計挑戰(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致安全隱患。這種 12 V 通常會轉換為 ±5 V 或 ±15 V 并進行電流隔離，以向牽引逆變器或充電器中的多個信號鏈和驅動器 IC 供電。其他工業(yè)逆變器(如光伏逆變器或電機驅動器)也可能需要隔離。

緊湊尺寸

對于某些應用(例如醫(yī)療患者監(jiān)護儀)，小型化是關鍵的設計目標。此類設備需要通過多個高精度轉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生 ± 電壓來為此類轉換器供電。

效率

提高效率通常是任何新設計的目標。例如，運算放大器應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行精確的調節(jié)和時序控制。

解決方案

解決方案按復雜性和總體性能的順序列出，并顯示了優(yōu)缺點以供比較。

齊納二極管

無需 IC 即可產生 ± 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)十毫安和良好調節(jié)的輸出電壓的應用。因此，這種拓撲結構并不常用。

圖 3。負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，但缺點是效率低，并且可能產生高電磁干擾 (EMI)。此類器件的負載電流有限，通常用于需要小于 100 mA 的應用。

圖 4. 100 mA DC-DC 轉換器的典型應用電路(-3 V)。

另外，為了避免對其他敏感電路(尤其是醫(yī)療設備、傳感和通信應用)的干擾，ADI 提供了LTC3265等產品，該產品將低噪聲 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 中集成了正負輸出軌。由于輸出噪聲非常低，它在精密儀器應用中非常有用，可以驅動低功耗運算放大器和數(shù)據(jù)轉換器。

圖 5. 由單個 12 V 輸入產生低噪聲 ±15 V 輸出的典型應用電路。

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

反相轉換器

電荷泵在輸入/輸出組合已知且無需精確調節(jié)的情況下相對更有用，并且相關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節(jié)要求嚴格的應用，建議使用基于電感的開關模式拓撲。

有一些這樣的拓撲可以處理正到負的轉換，通常都被歸類為反相拓撲，可能會讓工程師感到困惑。雖然它們通?？梢詧?zhí)行相同的電源轉換任務，但設計

折衷方案。以下是三種典型拓撲。前兩種類似;但是，使用降壓 IC 提供了更多選擇，即使它們不是專門設計用于產生負電壓。

· 使用降壓 IC 的反相降壓-升壓轉換器

· 獨立反相降壓升壓轉換器

· 雙電感器 (CüK) 反相降壓-升壓轉換器

拓撲 (1)：使用降壓 IC 的反相降壓-升壓轉換器

當?shù)湫屯浇祲恨D換器的輸出側與電路接地切換時，就會創(chuàng)建一個反相降壓-升壓 (IBB) 轉換器，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。對于噪聲敏感型應用，ADI 的Silent Switcher單片降壓穩(wěn)壓器(例如采用 Silent Switcher 3 技術的LT8624S)可以配置為 IBB，以產生具有出色寬帶和 EMI 噪聲性能的負電壓軌。圖 6 顯示了 LT8624S 作為 IBB 的示例電路，可在文章“噪聲敏感型應用的快速瞬態(tài)負電壓軌”中找到“。為了進一步過濾，可以將低噪聲負輸入 LDO 穩(wěn)壓器添加到輸出。如果在使用此拓撲時需要更高的功率，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 轉換器。

這里的缺點是 IC 指的是降壓轉換器接地，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載點轉換器都可以以這種方式配置，但大多數(shù)都需要外部電平轉換器進行外部控制。

拓撲(2)：獨立反相降壓-升壓轉換器

當應用中不需要外部電平轉換器時，有兩種解決方案：使用異步 IBB，或將電平轉換器集成到降壓 IC 中。例如：

異步 IBB：可以使用 PMOS 作為主開關并使用二極管代替同步開關來設計異步 IBB。這樣，IC 就可以參考系統(tǒng)接地，而無需電平轉換器。此處，輸出負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 的同步轉換器更大。

圖 7。異步 IBB 轉換器。

集成電平轉換器的降壓型 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換器。這為設計人員提供了便利。例如，MAX17577 / MAX17578和MAX17579 / MAX17580是基于降壓的 IBB 轉換器，在 EN 和 RESET 引腳處集成了電平轉換器。

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

拓撲 (3)：雙電感 (CüK) 反相降壓-升壓轉換器

當開關噪聲成為問題時，CüK 轉換器可以產生比 IBB 轉換器噪聲更小的負輸出電壓。該拓撲如圖 8 所示，具有兩個電感器和一個耦合電容器。該轉換器的優(yōu)勢在于其簡單性，只需要一個低側開關來反轉輸入，它可以是 NMOS，因此效率很高。例如，LT8330只需要 8 個引腳，設計并不困難。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用需求。

圖 8。簡化的反相轉換器。

雖然這種拓撲確實需要兩個電感，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撲低。如果需要更多功率，帶有外部低側 FET 的控制器 IC(例如LT3758)可能是一個不錯的選擇。

反激式轉換器

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

雖然方便，但產生的負電壓是不受調節(jié)的，如果需要調節(jié)，建議在輸出端添加另一個負輸入 LDO 調節(jié)器。

圖 9. 具有多個輸出繞組的典型反激式轉換器。

特殊雙多拓撲轉換器

考慮到大多數(shù)需要負輸出的應用也需要互補的正輸出，ADI 提供了多種解決方案，這些解決方案使用前面提到的拓撲并在一個 IC 內提供兩個或更多個 ± 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 多拓撲穩(wěn)壓器 LT8471;

· 雙 5.5 VIN、2 A/1.2 A 升壓/反相調節(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 升壓和反相轉換器的典型應用電路。

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，具有兩個完全獨立的輸出通道，每個通道均可配置為正輸出或負輸出，并且已符合 EN550222 B 類標準，具有低 EMI 性能。它節(jié)省了大量的設計和故障排除工作。

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

結論

在系統(tǒng)中添加負電壓軌并不方便——IC 供應商提供無負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柵極驅動，而運算放大器制造商則推薦性能更好的單電源運算放大器。然而，在許多高端應用中，產生負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 公司生產數(shù)千種不同拓撲和不同額定值的適用 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. 產生負電壓的各種拓撲結構