电源管理之电路模型——负压产生电路

参考教程：https://b23.tv/5xqCidF

一、负压产生电路的背景

1、负电压的概念

（1）电压是衡量两点之间电势差的物理量，比如说某一点的电压为＋5V或者－5V，这个电压值是相对于参考点GND而言的，GND是公共接地点。

（2）如果一个点的电位值比参考点GND的电位值低，则认为该点为负电压点。

2、负电压的典型应用场景

（1）运算放大器：运算放大器需要连接对称的正负电源，确保信号能够在零电平上下波动，实现高精度的放大和滤波。

（2）通信系统：比如RS-232接口，它使用－3V~－15V（负电压）表示逻辑“1”，正负电压的差异远大于噪声干扰，能够增加长距离传输时的抗干扰能力。

（3）音频设备：音响系统中常见的B类音频放大器，需要使用正负电压驱动输出晶体管，以消除交越失真。

（4）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需要使用负电压供电，确保系统的抗干扰能力。

（5）数据采集系统：如示波器、信号发生器、频谱仪，它们都是使用负电压为模拟前端和高精度ADC提供双极性电源，保证信号的动态范围和线性度。

（6）除了以上举例的几种应用场景，负电压的应用场景还有非常多，此处不一一赘述。

二、两种经典负压产生电路介绍

1、负压电荷泵电路

（1）负压电荷泵的电路模型如下图所示，为简单起见，下面的分析均忽略二极管的正向导通压降。

①当Vin为高电平Vh时，T1测试点的电压VT1为GND，Vin对电容C1充电，使C1左右两端的电势差为Vh，充电电流通过二极管D1流向GND，同时也会使得电容C2存储部分电荷。

②紧接上一状态，当Vin切换为低电平（0V）时，由于电容两端的电压不会突变，对于电容C1来说，其左右两端的电势差仍为Vh，Vin侧为低电平，那么VT1侧则为负电压－Vh，此时输出电流的方向是Vo到T1测试点，Vo的电位将介于0V与－Vh之间。

③以上两个状态交替切换，电容电位在0V~Vh之间来回波动，Vo电位在－Vh~0V之间来回波动，以此实现负压的输出，具体输出波形受Vin的频率与有效值的影响。

（2）上述对负压电荷泵电路模型的分析忽略了二极管的正向导通压降，在实际使用中，为了减小二极管压降的影响，可以选用正向导通压降较小的肖特基二极管。

（3）负压电荷泵电路能够输出负压，依赖于输出电容存储的能量，所以电荷泵电路一般不会用于大电流电路（电容储能有上限），而是常用于DC/DC转换器。

2、反极性Buck-Boost电路

（1）在《电力电子技术》中有介绍，基础的DC/DC电路拓扑有Buck电路、Boost电路和Buck-Boost电路，一般将可以生成负压的基本拓扑叫做反极性Buck-Boost。

（2）反极性Buck-Boost电路的电路模型如下图所示，电源控制器通过控制MOS管的栅极电压来实现对开关管导通/关断的控制。

①当MOS管Q1导通时，电感L的两端直接接在输入电压Vin与GND之间，Vin对电感L充电，电感L的电流逐渐增大，此时电感L两端的电压大小等于Vin。由于该电路的输出电压Vout为负电平（需结合下一状态理解），二极管D1承受反向偏压截止，电容COUT对负载电阻R1放电，电流的流向为电容COUT接地端到负载电阻R1，再回到电容COUT的另一端（需结合下一状态理解），根据电流的流向，结合电阻R1的欧姆定律，不难判断Vout的电位值为负电压。

②当MOS管Q1关断时，由于电感的电流不会发生突变，电感L的电流方向不变，此时电感L给电容COUT充电，同时也为负载电阻R1供电，电流的流向为电感L接地端到负载电阻R1和电容COUT，再到肖特基二极管阳极，回到电感L的另一端。根据电流的流向，结合电阻R1的欧姆定律，不难判断Vout的电位值为负电压。

③以上两个状态交替切换，可以使Vout持续输出负电压。

④电容CIN并联在输入电源两端，主要用于滤除开关管高频动作产生的脉动电流，稳定输入电压；另外，在MOS管导通瞬间，电容CIN就近为电感提供瞬时电流，减小输入引线的电压波动，同时抑制开关噪声，降低电磁干扰。