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。

●  使(shi)用(yong)普(pu)通(tong)的(de)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)的(de)紋(wen)波(bo)都(dou)會(hui)比(bi)較(jiao)大(da)，若(ruo)需(xu)要(yao)給(gei)運(yun)放(fang)等(deng)對(dui)紋(wen)波(bo)有(you)要(yao)求(qiu)的(de)模(mo)擬(ni)器(qi)件(jian)供(gong)電(dian)，還(hai)需(xu)要(yao)在(zai)負(fu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)後(hou)添(tian)加(jia)一(yi)顆(ke)LDO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：

 

gaifangfaxuyaoshiyongdaoyiketongyongshengyakaiguandianyuanxinpianjiyigeyoukaiguandianrongheerjiguandachengdedianhebengdianlu。ruxiashigaifangandecankaoshiyitu，shiyongleyikexingjiabijiaogaodeshengyakaiguandianyuanxinpian
，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geLDO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：

 

●  zaixuanzejiangyakaiguandianyuanxinpiandeshihou，yingdangquerengaixinpiandeshurujishuchudianyadekechengshoufanweifanweiyijikaolvshuchudianliudekechengshoufanwei。dangjiangyakaiguandianyuanxinpianbeiyongzuofanxiangdianyuantuopujiegoudeshihou
，cijiangyakaiguandianyuanxinpiandeshurufanweihuijianxiao。

●  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 反fan相xiang電dian源yuan模mo塊kuai參can考kao設she計ji。此ci方fang法fa產chan生sheng的de負fu電dian源yuan軌gui紋wen波bo與yu所suo選xuan擇ze的de降jiang壓ya開kai關guan電dian源yuan芯xin片pian有you直zhi接jie關guan係xi，選xuan擇ze低di紋wen波bo高gao性xing能neng的de降jiang壓ya開kai關guan電dian源yuan芯xin片pian，則ze產chan生sheng的de負fu輸shu出chu電dian壓ya也ye會hui比bi較jiao低di；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。

 

 

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