关键词：负电压，电荷泵，反极性Buck-Boost
在电路设计中，经常碰到需要负电压的场景，比如运放电路。什么负电压？产生负电压的原理是什么？在本期通用电路抄作业中，将会一一解答，并且还设计了两款负电压电路，方便大家使用。
什么是负电压？
我们都知道，电压是衡量两点之间电势差的物理量。当某一点的电压是“+5V”或“-5V”时，必须明确这是相对于哪个参考点来说的。这个参考点通常被称为“地”或“0V”。“地”可以是一个公共接地点、电源的负极、也可以是电路中选择的任意一点作为参考基准。
如果一个点相对于参考点的电位更低，那么这个点的电压就是负的。
举个简单的例子，一节标准的1.5V电池。如果我们定义电池的负极为参考点（0V），那么正极相对于负极就是+1.5V。如果我们定义电池的正极为参考点（0V），那么负极相对于正极就是-1.5V了。
电池电压本身没有变，两极之间始终是1.5V的电位差，但我们选择的参考点能决定每个点的电压是正，还是负。
负电压的应用场景
在许多应用场景中，都需要使用到负电压。比如：
第一种放大器电路，信号调理模块、传感器接口电路等运放电路，或者在一些精密仪器、数据采集系统、医疗设备中的生物电信号处理，运算放大器需要有对称的正负电源，确保信号能在零电平上下波动，实现高精度放大或滤波。
第二种通信系统，比如RS-232接口使用 -3V～-15V 表示逻辑“1”，+3V~+15V表示逻辑“0”，这样正负电压差会远大于噪声干扰，增加了长距离传输时抗干扰能力。
第三种音频设备，高保真功放、音响系统中常见的B类音频放大器，需要正负电源驱动输出级晶体管，消除交越失真。
第四种航空航天设备，飞行器舵机控制器、传感器模块中的驱动执行机构或处理传感器信号时需负电压供电，确保系统抗干扰能力。
第五种测量仪器中，如示波器、信号发生器、频谱仪中，是用负电压为模拟前端（AFE）和高精度ADC提供双极性电源，保证信号的动态范围和线性度。
此外，还有显示设备、医疗设备，功率电子器件驱动等，也需要负电压。
负电压是如何产生的？
负电压产生的本质是通过储能元件，电容或电感，改变参考点的电位。核心原理有两种：
- 利用电容电压极性翻转特性，将正电压“搬移”为负电压，也就是电荷泵原理。
2）通过开关控制电感电流方向，实现电压极性反转，也就是反极性Buck-Boost拓扑。
我们先来看第一种，负压电荷泵的电路模型：
它的工作原理是这样的，当Vin为高电平Vh时，T1测试点的电压VT1是GND，Vin为电容C1充电，使C1左右两端的左右两端的电压差Vh。充电电流通过D1到达GND，同时也会使C2储存一些电荷。当Vin为低电平时，由于电容两端电压不会突变，所以对于电容C1来说，左右两端的电压差仍是Vh，左侧变为低电平以后，右侧VT1就变为了-Vh。此时，输出电流的方向是从Vo到T1，忽略D2上的压降，Vo的值将会介于0V与-Vh之间，实现了负压输出，并且受Vin频率与有效值影响。
上述分析中忽略了二极管的压降，实际应用中为了减小二极管的压降的影响，可以选用压降较低的肖特基二极管。
从上面的原理不难看出，电荷泵的输出电压是依赖输出电容所储存的能量的，所以电荷泵电路一般不用于大电流电路，一般用于DC/DC转换器辅助电压输出。
第二种，反极性Buck-Boost拓扑方式。
基础的DCDC拓扑电路有Buck、Boost、Buck-Boost。一般我们将可以生成负压的基本拓扑叫做反极性Buck-Boost。
在反极性Buck-Boost电路中，电源控制器通过控制mos管的G极电压来实现对开关管的通断。
当mos管Q1闭合导通时，电感L接到电源两端，此时的输入电压Vin，对电感进行充电，电感的电流逐渐上升。
由于导通瞬态时di/dt比较大，这个过程主要由Cin为电感供电，此时Q1相当于短路，电感L两端的电压为Vin，二极管D1截止，此时Cout放电位RL提供能力，所以Vout是负值是负的。
当Q1关断时，Vin给Cin电容充电。而由于电感的电流不能突变，流向不变，所以此时电感给电容Cout充电，同时也为负载RL进行供电。
电流的流向为：L1下端→负载电阻→肖特基二极管→L1上端。
RL的下端是GND，也就是说电压为0V，RL的电流方向为从下往上，根据电流的流向RL的上端电压Vout比其下端更低，所以输出Vout仍然是一个负值。
由此，通过不断控制Q1的开与关，可以让Vout持续为负电压。
负电压电路实测
介绍过两种最基本的负电压电路原理，我们就设计2个负电压电路。
首先是经典的电荷泵方案，这里我们采用TI的TPS60403电荷泵电压反相器芯片。这种集成式芯片的好处是电压精度高、纹波小的同时，体积也比较小。这类芯片除了TPS60403，还有很多，像TI的另外一款芯片LM27762，以及ADI的LTC3265、MAX1673 等等。
TPS60403是通过内部开关周期翻转外部电容器连接实现电压反转，而且不需要电感器。可以使支持 1.6V 至 5.5V 宽输入范围，兼容锂离子/镍氢/碱性电池或3.3V/5V稳压电源。最大输出电流 60mA，典型转换效率 >90%，固定250kHz 开关频率，降低噪声设计复杂度，仅需 3个1μF外部电容器（推荐X5R/X7R陶瓷电容）就可构建完整逆变电路。
这是焊接好的pcb，设置输入电源为＋5V，我们测量一下其输出电压，可以测得的输出电压为-5V。
第二个实验的主角是经典的DCDC转换器，TPS5430。TPS5430本质是降压型DC-DC转换器，但通过反向升降压拓扑可以实现负电压输出。只需要对其电路接地端进行调整即可：原GND引脚改为负压输出端（-Vout），原VOUT引脚接地。
工作过程：
开关导通期：输入电压（Vin）对电感充磁，电流线性上升（负载由输出电容供电）。
开关关断期：电感极性反转，通过二极管向负载和电容释放能量，形成负压。
这是焊接好的pcb，因为TPS5430是降压型DC-DC转换器，所以使用时要求输入电压的绝对值大于输出电压的绝对值，所以我们设置输入电源为＋5.5V，我们测量一下其输出电压，可以测得的输出电压为-5V。
通过以上讲解，相信大家对负电压电路有了更全面的了解，以上两个电路经过验证，可以直接放心使用。
小编的话：
了解负电压是设计负电压电路的前提。一个好的负电压设计可以增强信号处理能力、扩展动态范围、提高系统稳定性。同时，好的设计可以保护电路元件、降低干扰影响、降低功耗、提高电源利用率。此外，良好的负电压设计可以满足多种应用场景对负电压的不同需求，便于系统扩展和升级，提升系统的兼容性和灵活性。通过这个视频，您对负电压是否有了进一步的了解？您对负电压的设计和应用有哪些经验或疑问？欢迎留言，和DigiKey的朋友们一起分享交流！
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