如何采用同步降压稳压器创建负电源

有些应用，如双端传感器和音频放大器，需要负电压才能工作。由于当今系统板的空间有限，创建专用的负电源轨将增加PCB的成本和空间。因此，从系统中现有的正电源轨产生所需的负电压是有意义的。

德州仪器（TI）在题为“使用同步降压稳压器创建反相电源”的应用笔记中提供了一种使用传统同步降压稳压器的解决方案 1。它向您展示了如何从正输入电压向同步降压稳压器产生负电压。

在介绍设计之前，作者讨论了使用同步拓扑与非同步电路的优势使用同步设计的一个主要好处是在低电压下具有更高的转换效率。同样，即使在非常低的电流下，同步拓扑也保持连续导通模式（CCM），而不是非同步拓扑进入非连续导通模式（DCM）当通过电源电感的电流减小到零时.DCM模式下非同步拓扑的一些其他缺点是慢瞬态响应，以及DCM shif的慢补偿吨。此外，它还需要电路板上的其他组件。使用同步拓扑可以消除这些缺点。

负转换器解决方案

为了从正轨产生反相电源，工程师必须遵守一些设计限制。如表1所示，最大允许输出电压受IC上输入引脚和接地（GND）引脚之间器件VDEV上的最大电压减去最大输入电压VIN（max）的限制。由于MOSFET是IC的内部，因此最大负载电流不能超过通过内部开关的最大电流。

反相电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：最低逆变器要求。

现在，要转换同步降压稳压器（图1）对于具有负输出电压的逆变器，TI建议将电感器和输出电容器保持在与原始降压转换器电路相同的位置，但必须反转接地和输出电压点以实现负输出电压，如图2所示。

图1：同步降压稳压器电路（由TI提供）。

图2：负输出电压转换器，其中地和电压输出Vout反转（由TI提供）。

事实上，TI通过使用其芯片TPS54620实现了上述技术，该芯片是属于TI SWIFT系列的4.5V至17V输入，6A同步降压转换器。表2中描述了该设计的关键电气规格。虽然使用TI芯片的完整逆变器解决方案如图3所示。

可变参数范围/值Vin输入电压5 V标称4.5 V至5.5 V Vout输出电压-5 V Vout输出电压纹波《0.5％Iout输出电流2 A fsw开关频率300 kHz

表2：逆变器的关键规格电路如图3所示。

图3：使用TI芯片TPS54620的逆变器解决方案（由TI提供）。

设计必须确保最小和最大输入电压符合上表1中列出的要求，而最大输入电压VIN（最大值）和输出电压Vout之间的差值不得超过调节器的最大操作装置电压。对于TPS54620，最大工作设备电压VDEV（最大值）为17 V.

现在让我们看两个相关的公式：

（1）

（ 2）

此逆变器电路的VOUT为-5 V.因此，使用公式1，确定电源的最大输入电压可高达12 V.而最小输入电压VIN（min） ）对于逆变器电源必须大于最小器件电压VDEV（min）。对于TPS54620，VDEV（最小值）为4.5 V.因此，如图2所示，4.5至5.5 V的输入范围很容易得到图3中基于TPS54620的逆变器电路的支持。

另外，使用公式在图2中，可以针对期望的输出电压计算R4。在此示例中，R5设置为等于10kΩ，VREF设置为0.8 V.因此，使用等式2，然后计算R4为52.5kΩ。建议使用标准值52.3kΩ。

TI应用笔记还向您展示了如何计算该逆变器电路的其他参数，例如占空比，输出电流，工作频率，电感值，输出和输入电容以及功耗。同样，新一代凌力尔特公司的高压同步降压转换器，如LT3845，可以为各种应用实现正负转换器。 Linear的设计说明433标题为“正负电压转换器可用于稳定输出，即使输入变化很大” 2 描述了一个设计实例显示如何从正输入到同步降压控制器LT3854产生负电压。在此示例中，同步控制器将9至15 V宽输入转换为-12 V，输出为30 A.

电荷泵逆变器

电荷泵提供简单的无电感DC/DC转换器解决方案，可以升压，降压或反转输入电压，适用于各种低功耗，低成本应用。通过消除电感，这些基于开关电容的转换器提供了紧凑的简单设计，用于将正输入转换为负输出。

Maxim Integrated提供各种电荷泵，可为多种应用产生正输入负电压。供应商的应用笔记782 3 说明了使用MAX1681的负电压逆变器。

Maxim提供的另一个应用笔记（3659 4 ）提供了一个电荷泵转换器电路，无负载时产生-10 V电压，电压超过200 mA 5V输入。该电路中使用的电荷泵IC是MAX889，如图4所示。它反转输入电压，同时使得到的负输出加倍。为此，它使用两个肖特基二极管和输出端的两个电容来产生更高的输出电压，如图所示。

图4：电荷泵IC MAX889反转正输入电压，同时使产生的负输出加倍（由Maxim提供）。

总结

对于某些只有正电源的应用，系统必须产生负电压（有时甚至比正电压轨的幅度更大）。本文讨论了如何使用开关稳压器（降压）或电荷泵来创建负电源。示意图与方程式一起呈现，以便设计人员可以确定满足其自身要求的最佳解决方案。引用的应用笔记还包括样本设计实现以及捕获的波形。