生(sheng)成(cheng)正(zheng)電(dian)源(yuan)軌(gui)的(de)不(bu)同(tong)方(fang)案(an)已(yi)經(jing)為(wei)大(da)家(jia)所(suo)熟(shu)知(zhi)，因(yin)此(ci)這(zhe)篇(pian)博(bo)客(ke)主(zhu)要(yao)跟(gen)大(da)家(jia)分(fen)享(xiang)一(yi)下(xia)不(bu)同(tong)的(de)負(fu)電(dian)源(yuan)軌(gui)生(sheng)成(cheng)方(fang)案(an)，通(tong)過(guo)對(dui)比(bi)不(bu)同(tong)方(fang)案(an)的(de)優(you)缺(que)點(dian)
，來(lai)幫(bang)助(zhu)大(da)家(jia)選(xuan)擇(ze)到(dao)適(shi)合(he)自(zi)己(ji)產(chan)品(pin)的(de)低(di)噪(zao)聲(sheng)，高(gao)效(xiao)率(lv)的(de)負(fu)電(dian)源(yuan)軌(gui)設(she)計(ji)方(fang)案(an)。

 

目前市麵上可見的幾種生成負電源軌的方案有：電荷泵芯片方案，使用升壓芯片結合電荷泵電路的方案，降壓芯片VOUT與GND反接方案，反向BUCK-BOOST芯片方案以及反向BUCK芯片方案 。其中反向降壓芯片方案為TI獨家方案。

 

1)      電荷泵芯片方案：

 

電荷泵芯片通常內部組成主要為電容和開關，通過開關的開啟關閉來控製電荷泵內部電容的充放電（即開關電容）來產生負輸出電壓。以下為LM2776的內部結構示意圖為例，在充電階段，S1與S3開關閉合 （S2和S4開關為斷開狀態），開關電容被連接在輸入電壓與地之間, 充電電容被充電到輸入電壓VIN
；在放電階段
，S2和S4開關閉合 （S1和S3為斷開狀態）


，此時開關電容的陽極接地
，陰極接VOUT
，若負載電流為0
，VOUT即為-VIN。若負載電流不為0，計算VOUT的值還需考慮MOSFET開關的寄生電阻，電容的ESR以及電容充放電時的電荷損失等。

 

 

dianhebengxinpianchanshengfudianyuanguidewaiweidianluyehenjiandan，buxuyaodianganyuanjian
，zhixuyaojigechangjiandexiaodianrong，yincidianhebengxinpianfangandechengbenyebijiaodi。buguo
，zaishiyongdianhebengxinpianfanganchanshengfudianyuanguidefanganshi，youlianggedianxuyaozhuyi：

 

●  電荷泵芯片產生負電源軌的方案能驅動的負載電流比較小，通常最大負載電流在200mA左右, 若驅動大電流負載，VOUT會急劇變化且芯片效率也會受影響。

●  shiyongputongdedianhebengxinpianchanshengdefushuchudianyadewenbodouhuibijiaoda，ruoxuyaogeiyunfangdengduiwenboyouyaoqiudemoniqijiangongdian，haixuyaozaifushuchudianyahoutianjiayikeLDO芯片
，以提高PSRR, 降低紋波及噪聲。

 

為了解決電荷泵芯片產生的負電源軌紋波大的問題
，德州儀器在LM2776的基礎上發展出了內部集成了一顆負LDO的電荷泵芯片， LM27761。下圖為LM27761的典型應用示意圖：

 

 

您還可以通過使用TI免費在線仿真軟件WEBENCH來創建LM27761的定製設計，進行線上仿真

，生成可導出的PCB文件及核算BOM。如下方為使用WEBENCH設計出來的LM27761參考電路，VIN=5.5V, VOUT=-5V, IOUT=50mA。

 

 

此外, 在某些應用中，例如耳機等，敏感的模擬負載需要兩個供電電壓：一個正電壓和一個負電壓， 且兩個供電電源軌都需要幹淨。如果電源輸入端（例如單節鋰電池）上存在一些噪聲
，正電壓處也需要一個LDO才能將噪聲降至可接受範圍。此時
，LM27762是個不錯的選擇
， 它的內部同時集成了正LDO與負LDO
，能同時產生正負兩個低噪的輸出電壓給敏感器件供電。下方是LM27762的典型電路, 更多應用及設計細節
，您還可以參考TI的參考設計TIDA-01341 Hi-Fi 耳機放大器設計。

 

 

 

2)      使用升壓芯片結合電荷泵電路方案：

 

該gai方fang法fa需xu要yao使shi用yong到dao一yi顆ke通tong用yong升sheng壓ya開kai關guan電dian源yuan芯xin片pian及ji一yi個ge由you開kai關guan電dian容rong和he二er極ji管guan搭da成cheng的de電dian荷he泵beng電dian路lu。如ru下xia是shi該gai方fang案an的de參can考kao示shi意yi圖tu，使shi用yong了le一yi顆ke性xing價jia比bi較jiao高gao的de升sheng壓ya開kai關guan電dian源yuan芯xin片pian，TLV61048。當TLV61048的內部開關斷開的時候，SW引腳處電壓為：（輸出正輸出電壓-D1上的電壓），開關電容被充電。當TLV61048的內部開關閉合的時候，電荷泵電路部分與TLV61048內部開關與地形成一個閉合環路，開關電容開始放電，負電壓輸出產生。如下方案中具體的電路設計及元器件選型可參考TI應用文檔SLVAEJ3。

 

 

此(ci)種(zhong)方(fang)案(an)的(de)優(you)點(dian)是(shi)效(xiao)率(lv)比(bi)使(shi)用(yong)電(dian)荷(he)泵(beng)芯(xin)片(pian)的(de)方(fang)案(an)要(yao)高(gao)，不(bu)過(guo)與(yu)使(shi)用(yong)電(dian)荷(he)泵(beng)芯(xin)片(pian)產(chan)生(sheng)的(de)負(fu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)類(lei)似(si)

，它(ta)產(chan)生(sheng)的(de)負(fu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)紋(wen)波(bo)也(ye)會(hui)比(bi)較(jiao)大(da)。因(yin)此(ci)，在(zai)給(gei)對(dui)噪(zao)聲(sheng)敏(min)感(gan)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)供(gong)電(dian)時(shi)，需(xu)要(yao)在(zai)輸(shu)出(chu)的(de)正(zheng)負(fu)電(dian)源(yuan)軌(gui)後(hou)方(fang)添(tian)加(jia)個(ge)LDO來提高PSRR及減少噪聲。TPS7A39是一顆雙通道，正負電壓輸入和正負電壓輸出
，低噪聲，高PSRR的LDO芯片，可直接連接在使用升壓芯片結合電荷泵電路產生的正負電壓之後。

 

 

3)      使用降壓開關電源芯片VOUT與GND反接方案：

 

使用降壓開關電源芯片VOUT與GND反接的方法是最為常見的，隻需使用一顆通用的降壓開關電源芯片，把VOUT與GND反接即可。下方該方案的參考示意圖中使用了一顆通用的TI降壓開關電源芯片， 具有寬輸入電壓範圍，內部環路補償的TPS54x02家族芯片。在使用降壓開關電源芯片VOUT與GND反接方案的時候
，有幾個點需要格外注意：

 

●  在zai選xuan擇ze降jiang壓ya開kai關guan電dian源yuan芯xin片pian的de時shi候hou，應ying當dang確que認ren該gai芯xin片pian的de輸shu入ru及ji輸shu出chu電dian壓ya的de可ke承cheng受shou範fan圍wei範fan圍wei以yi及ji考kao慮lv輸shu出chu電dian流liu的de可ke承cheng受shou範fan圍wei。當dang降jiang壓ya開kai關guan電dian源yuan芯xin片pian被bei用yong作zuo反fan向xiang電dian源yuan拓tuo撲pu結jie構gou的de時shi候hou，此ci降jiang壓ya開kai關guan電dian源yuan芯xin片pian的de輸shu入ru範fan圍wei會hui減jian小xiao。

●  當使用降壓開關電源芯片VOUT與GND反(fan)接(jie)方(fang)案(an)的(de)時(shi)候(hou)，右(you)半(ban)邊(bian)平(ping)麵(mian)零(ling)點(dian)會(hui)增(zeng)加(jia)電(dian)路(lu)的(de)不(bu)穩(wen)定(ding)性(xing)，為(wei)了(le)避(bi)免(mian)內(nei)部(bu)環(huan)路(lu)補(bu)償(chang)帶(dai)來(lai)的(de)影(ying)響(xiang)


，提(ti)高(gao)電(dian)路(lu)係(xi)統(tong)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)
，輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)及(ji)電(dian)感(gan)的(de)選(xuan)擇(ze)需(xu)要(yao)格(ge)外(wai)謹(jin)慎(shen)。

 

詳細的計算步驟可參考TI應用文檔SLVA933以及TI的參考設計TIDA-01457適用於小型低噪聲係統的 3V 至 11.5V 輸入電壓、-5V 輸出電壓、1.5A fanxiangdianyuanmokuaicankaosheji。cifangfachanshengdefudianyuanguiwenboyusuoxuanzedejiangyakaiguandianyuanxinpianyouzhijieguanxi，xuanzediwenbogaoxingnengdejiangyakaiguandianyuanxinpian，zechanshengdefushuchudianyayehuibijiaodi；若選用高性價比的通用降壓開關電源芯片，紋波會比較大，建議給對噪聲有要求的敏感元器件供電時
，也接一個LDO。

 

 

4)     反向DC/DC芯片方案：

 

除了電荷泵電源芯片方案能直接使用單顆芯片來產生負輸出電壓
，TI還有另外兩個拓撲結構能直接生成負輸出電壓的單顆芯片方案：反向BUCK-BOOST芯片和反向BUCK芯片
，其中反向BUCK芯片為TI獨家芯片。

 

●  反向BUCK-BOOST芯片推薦： TPS63700:

 

-可調節輸出最低至-15V

 

-輸入電壓範圍：2.7V至5.5V

 

-最大可到360mA的輸出電流

 

-高達84%的效率

 

-1.4MH固定頻率PWM工作模式

 

-過溫保護

 

 

●  反向BUCK芯片推薦：TPS63710

 

-輸入電壓範圍：3.1V至14V

 

-輸出電壓範圍：-1V至-5.5V

 

-輸出電流為1A

 

-效率高達91%

 

-低噪聲：22uVRMS (10Hz至100KHz)

 

-1.5MHz 固定頻率 PWM 模式

 

-|VOUT| < 0.7 x VIN

 

給對噪聲敏感的元器件提供負電壓軌時可直接使用TPS63710，不需要再添加額外的LDO芯片。

 

 

下圖是使用WEBENCH線上仿真工具生成的TPS63710參考電路
，VIN=12V, VOUT=-5V, IOUT=1A：

 

 

總結一下以上四種主要的負電源軌生成方案，電荷泵芯片方案是最為簡單且性價比較高的方案，但是適用於200mA以下負載電流的應用場景
；反向BUCK-BOOST芯片方案可輸出絕對值更大的負電壓及滿足更大的負載電流需求，它的效率也會比電荷泵芯片方案略高，不過單顆反向BUCK-BOOST芯片產生的負輸出電壓紋波及噪聲較大，給對噪聲敏感的運放等元器件供電時，需要添加額外的負LDO
；反向BUCK芯片方案是效率最高的方案，且不需要添加額外的LDO即可產生低噪且紋波小的負輸出電壓。每個方案都有每個方案的優點，還需結合您產品的特性並加以斟酌。

 

 

推薦閱讀：