【导读】于物联网、工业传感和周详医疗装备中，对于正负对于称电压的供电需求日趋遍及。此类运用凡是要求仅经由过程单一正电源高效、不变地天生对于应的负电压，这对于电源设计提出了怪异挑战。本文将深切解析相干市场趋向与焦点设计要求，体系对于比主流技能方案，为市场与发卖团队提供清楚的技能洞察与推广撑持。

择要

于物联网、工业传感和周详医疗装备中，对于正负对于称电压的供电需求日趋遍及。此类运用凡是要求仅经由过程单一正电源高效、不变地天生对于应的负电压，这对于电源设计提出了怪异挑战。本文将深切解析相干市场趋向与焦点设计要求，体系对于比主流技能方案，为市场与发卖团队提供清楚的技能洞察与推广撑持。

术语界说

转换器：一种电源治理集成电路，其内部可能集成为了开关，也可能没有集成开关。

稳压器：一种集成为了开关的转换器。

节制器：一种利用外部开关的转换器。

市场

于浩繁电子设计中，电源部门经常需要提供一个或者多个负电压，且凡是与响应的对于称正电压配合存于。一些典型的运用示例以下：

电动汽车充电器及牵引逆变器的栅极驱动器；例如，用在驱动氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)及断绝栅极双极晶体管(IGBT)。

用在工业及医疗运用的高机能模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)以和轨到轨运算放年夜器（运放）。

消费产物的LCD显示屏。

驱动（雪崩）光电二极管时。

X射线等医疗运用。

下文具体先容了此类设计的两个典型方框图。

栅极驱动器

对于在年夜功率开关电源及机电驱动器而言，凡是需要一个负驱动电压，缘故原由以下：

●体系的印刷电路板(PCB)结构可能并不是慎密安插且耦合慎密，其电路接地端凡是会与来自体系遍地的噪声相耦合，而且可能会于接地电平四周颠簸。

●诸如IGBT、碳化硅(SiC)或者GaN FET等重要功率器件，除了非它们都封装于一个模块内，不然凡是与栅极节制电路相距可达数厘米之远。是以，来自栅极驱动器的旌旗灯号于达到功率器件时可能会发生掉真，需要分外的安全裕度。

●GaN FET等进步前辈功率器件凡是具备较低的导通阈值，这使患上它们对于栅极电压振荡更为敏感。一些高压GaN FET可能具备较高的栅泄电容(CGD)或者较年夜的工艺误差规模，这可能会致使米勒效应激发的导通征象。于这类环境下，建议终极客户施加一个负栅极电压，以确保器件连结关断状况。对于在某些类型的IGBT，需要施加一个负电压才能使其彻底关断。

此中一个例子是利用断绝式驱动器ADuM4120。于这种运用中，功率器件由正电压（如V1）及负电压（如V2）驱动，如图1所示。

图1.双极性电源的设置示例。

轨到轨运算放年夜器

对于在各类旌旗灯号调度运用，当输出需要实现靠近电源的宽规模变化，输入需要缭绕基准电压源摆动，或者是对于精度有着极高要求时，凡是会利用轨到轨运算放年夜器。光电前置放年夜器体系的一个典型示例如图2所示。这类设计需要一个正15 V电压及一个负15 V电压。

图2.超低噪声1M TIA光电二极管放年夜器的典型运用电路。

要求

从主电源孕育发生正电压的集成电路拓扑凡是已经广为人知，包括低压差(LDO)稳压器、降压型、升压型、压型-起落型等。然而，以往的文献中并未对于负电压天生方案的选择与衡量举行深切切磋。下面来看一些相干要乞降设计挑战。

断绝

有时，正负电压需要与电源断绝，这重要是出在安全方面的思量，或者者是由于不存于大众接地。例如，于电动汽车动力体系中，12 V节制总线重要由12 V辅助电池供电。为了节制高压电池，必需举行断绝，如许一来，任何低压妨碍都不会致使安全隐患。凡是，如许的12 V电压会于颠末电气断绝后转换为±5 V或者±15 V，以便为牵引逆变器或者充电器中的多个旌旗灯号链及驱动集成电路供电。其他一些工业逆变器，如光伏逆变器或者机电驱动器，可能也需要举行断绝。

小尺寸

对于在某些运用，如医疗病人监护仪，小型化是一个要害设计方针。这种器件需要经由过程多个高精度转换器读取并放年夜各类传感器旌旗灯号。是以，很是需要一种能孕育发生正负电压为这些转换器供电的微型解决方案。

效率

对于在任何新设计而言，提高效率往往都是方针之一。例如，于运算放年夜器运用中，一个遍及的趋向是利用更低的轨电压，条件是输出端没有较着的掉真，并且假如孕育发生这些轨电压所耗损的功率更少，效率也就更高。

时序及对于称性

对于在像医用X射线如许的非凡运用，正负电压可能其实不需要很高的精度，但它们必需是对于称的，且绝对于值的差异要极小。是以，最佳对于正负电压都举行切确的调治及时序节制。

解决方案

解决方案根据繁杂水平及整体机能的挨次列出，同时也列出它们的优错误谬误以便举行比力。

齐纳二极管

一种不利用集成电路来孕育发生正负电压的简朴要领是利用齐纳二极管，如图3所示。于这类解决方案中，V3源的输出由Dz及Rz举行分压。假如V3为9 V，Dz是一个5 V齐纳二极管，那末栅极将由+5 V及-4 V的电压驱动。因为不需要分外的集成电路，这类要领成本较低。然而，这类解决方案效率极低，而且不合用在那些需要几十毫安电流以和输出电压需切确调治的运用场景。是以，这类拓扑布局其实不经常使用。

图3.负电压齐纳二极管轨的示例。

电荷泵

利用电荷泵是一种将正输入电压举行反相的便捷要领，由于不需要磁性元件。市道上有很多能实现此功效的电荷泵集成电路，而且于差别环境下各有上风。

对于在低功耗需求，ADI公司提供了多种稳压及非稳压电荷泵，例如图4中的LTC1983。虽然这类解决方案很是简朴且形状小巧，但错误谬误于在效率方面，而且可能会孕育发生较高的电磁滋扰(EMI)。这种器件于负载电流方面存于限定，凡是用在所需电流小在100 mA的运用。

图4.100 mA、-3 V输出的DC-DC转换器典型运用电路。

别的，思量到需要低噪声/低电磁滋扰(EMI)以免对于其他敏感电路孕育发生滋扰（特别是对于在医疗装备、传感及通讯运用而言），ADI公司提供了诸如LTC3265之类的产物，于双电荷泵的每一个输出端都集成为了低噪声LDO稳压器（见图5）。虽然输出电流限定于50 mA，但这类解决方案对于电磁滋扰更为友爱，而且仅用一个集成电路就集成为了正输出轨及负输出轨。因为输出噪声极低，于驱动低功耗运算放年夜器及数据转换器的周详仪器仪表运用中，很是有效。

图5.单12 V输入孕育发生低噪声±15 V输出的典型运用电路。

于既需要高负载电流的正电压轨（用在体系供电），又需要较小负载电流的负电压轨（用在偏置或者基准电压源）的运用中，一个分立的负电压电荷泵险些可以运用在任何降压型或者升压型稳压器，且无需分外的集成电路。“利用具备有源放电功效的MAX17291升压转换器集成电路从正输入电压孕育发生负输出电压”这篇文章中展示了一个示例电路，利用MAX17291搭配外部电路来组成电荷泵。其错误谬误于在电荷泵的负载调解及动态负载相应能力。

反相转换器

于已经知输入/输出组合且无需切确稳压的场景中，电荷泵相对于更为实用，而相干的噪声滋扰则可经由过程分外的滤波办法来处置惩罚。对于在那些输入或者输出电压规模较宽且对于稳压要求严酷的运用，建议采用基在电感的开关模式拓扑布局。

有几种如许的拓扑布局可以处置惩罚正电压到负电压的转换，它们凡是都被归类为反相拓扑布局，但这类归类方式可能会让工程师孕育发生混合。虽然它们凡是都能完成不异的功率转换使命，但于设计上需要举行衡量弃取。如下是三种典型的拓扑布局：前两种较为相似；然而，利用降压型集成电路只管并不是专门为孕育发生负电压而设计，但它能提供更多的选择。

利用降压型集成电路的反相降压-升压转换器

自力式反相降压-升压转换器

双电感器(CÜK)反相降压-升压转换器

拓扑布局(1)：利用降压型集成电路的反相降压-升压转换器

当典型的同步降压转换器的输出侧与电路接地举行切换时，就会孕育发生一个反相降压-升压(IBB)转换器，如图6所示。这类要领很受接待，由于市道上有很多可供选择的同步降压稳压器或者节制器。对于在噪声敏感型运用，ADI的Silent Switcher®单片降压稳压器，例如采用Silent Switcher 3技能的LT8624S，可配置为IBB以孕育发生具备精彩的宽带及EMI噪声机能的负电压轨。图6显示了将LT8624S用作IBB的转换器的一个示例电路，详见“针对于噪声敏感型运用的快速瞬变负电压轨”这篇文章。为了举行进一步的滤波处置惩罚，可以于输出端添加一个低噪声的负输入LDO稳压器。假如于利用这类拓扑布局时需要更高的功率，ADI公司有多种同步降压节制器可供选择，而且可以搭配外部FET利用。

这里的不足的地方于在，这类集成电路所参考的是降压转换器的接地，而非体系接地（体系接地是输出的正极侧）。假如需要微节制器来履行诸如使能、同步之类的功效，或者者仅仅是吸收PGOOD旌旗灯号，那末可能就需要一个外部电平转换器电路，这可能会不太利便。关在这类分外电平转换器电路的示例，可以参阅“孕育发生负电压——为何需要于降压-升压电路中举行电平转换”这篇文章，如图6所示。假如需要PMBus®/I2C通讯，则电平转换器可能没法阐扬作用，而且可能需要外部数字断绝器IC。

假如利用的是无需外部传感或者节制的转换器，那末将降压型IC用作IBB会更受青睐，由于如许会有更富厚的选择。无论具有何种电压及电流额定值，所有降压型负载点转换器均可以经由过程这类方式举行配置，但年夜大都都需要外部电平转换器以便举行外部节制。

图6.利用LT8624S降压型IC的IBB转换器。

拓扑布局(2)：自力式反相降压-升压转换器

当运用中不但愿利用外部电平转换器时，有两种解决方案：利用异步IBB，或者者将电平转换器集成到降压型IC中。例如：

●异步IBB：可以经由过程利用PMOS作为主开关，并采用二极管来替换同步开关，从而设计出异步IBB。如许一来，IC就能够参考体系接地，而无需电平转换器。于这类环境下，输出负载的正极侧毗连到输入接地。这里的IC选项可所以如图7所示的LTC3863。它的效率凡是比利用降压型IC要低，由于PMOS及二极管所孕育发生的损耗，凡是要比基在NMOS的同步转换器更年夜。

图7.异步IBB转换器。

●集成为了电平转换器的降压型IBB：把降压型IC用作IBB时，无需利用外部电平转换器，而是可以将每一个输入及输出旌旗灯号各自对于应的电平转换器集成到IC中。这对于在设计师来讲十分利便。例如，MAX17577/MAX17578及MAX17579/MAX17580都是基在降压的IBB转换器，它们于EN及RESET引脚集成为了电平转换器。

假如需要高功率及高效率，那末保举利用LTC3896。它是一款更为周详的高机能同步开关节制器，而且集成为了电平转换器。只管它采用38引线TSSOP封装，是相对于较年夜的一款IC，但它的能源效率很是高，并且两个开关均撑持利用NMOS。对于在功率需要年夜在100 W的场景，建议利用这款器件。

拓扑布局(3)：双电感器(CÜK)反相降压-升压转换器

当需要思量开关噪声问题时，CÜK转换器可以或许孕育发生负输出电压，且其酿成的噪声比IBB转换器要小。这类拓扑布局如图8所示，它包罗两个电感器及一个耦合电容。这类转换器的长处于在其布局简朴，仅需一个低端开关便可将输入电压反相，而且该开关可所以NMOS，是以效率很高。例如，LT8330仅需8个引脚，并且设计起来其实不坚苦。此IC是ADI的稳压器之一，它集成为了两个偏差放年夜器，于是可以或许检测正输出电压或者负输出电压。近似的稳压器，例如LT833一、LT833三、LT833四、LT8570及LT8580，提供了差别的额定参数及特征，以满意各类常见的运用需求。

图8.简化的反相转换器。

虽然这类拓扑布局确凿需要两个电感器，但如果像图8所示那样将两个电感器举行耦合，输出纹波会显著降低，还有可能减小输出电容的尺寸。此外，因为输入侧及输出侧各有一个电感器，是以电流是持续的，而且整个电路的噪声也要小在其他拓扑布局。假如需要更年夜的功率，采用LT3758等带有外部低端FET的节制器IC多是一个不错的选择。

反激式转换器

假如出在断绝目的而需要变压器（好比于反激式转换器中），那末只需于输出侧增长另外一个绕组，就能很是轻易地孕育发生正负输出电压。于这个变压器上，经由过程设置多个绕向差别的绕组，并共同利用断绝二极管，就可以孕育发生正电压或者负电压，如图9所示。例如，LT8306无需利用光耦合器来举行反馈，从而节省了物料清单成本。

只管这类方式很利便，但所孕育发生的负电压是未颠末稳压的。假如需要稳压，建议于输出端添加另外一个负输入LDO稳压器。

图9.带有多个输出绕组的典型反激式转换器。

非凡双多拓扑布局转换器

思量到年夜大都需要负输出电压的运用同时也需要与之互补的正输出电压，ADI公司提供了多种解决方案。这些方案采用了先条件到的拓扑布局，而且能于一个集成电路内提供两个或者更多的正负电压。

一些例子以下：

双42 VIN、3 A升压/反相稳压器LT8582；

双50 VIN、2 A多拓扑布局稳压器LT8471；

双5.5 VIN、2 A/1.2 A升压/反相稳压器ADP5076；

3通道60 V断绝衰落功率治理单位ADP1034

图10.5 V至±12 V升压及反相转换器的典型运用电路。

电源模块解决方案

对于在很多但愿解决方案尺寸超小，或者者想要现成的彻底集成式电源解决方案的工程师来讲，可以思量利用微型电源模块。

例如，LTM4655是一款40 VIN、双4 A反相μModule®稳压器，具备两个彻底自力的输出通道，每一个通道均可配置为正输出或者负输出，而且其低电磁滋扰机能已经切合EN550222 B类尺度，可以节省年夜量的设计及妨碍解除事情。

LTM8049是另外一个不错的选择，其输入电压最高可达20 V，两个输出真个输出电压最高可达+24 V，最低可至–24 V。

结论

于体系中增长负电压轨其实不利便，是以集成电路供给商将“无需负电压”作为一年夜上风举行推广。例如，GaNFET制造商正于说服客户不要利用负栅极驱动，而运算放年夜器制造商则保举机能更好的单电源运算放年夜器。然而，于很多高端运用中，对于负电压的需求仍旧存于。

表1列出了本文说起的一些解决方案的对于比环境，以供参考。ADI公司制造了数千种合用的集成电路，这些产物具备差别的拓扑布局及差别的额定参数，是以所保举的限定前提及一般特征可能带有主不雅性，而且因各个产物型号的差别而有所差异。假如您是一位设计工程师，于浏览本文时，除了了于analog.com长进行搜刮以外，还有请随时接洽本地的ADI代表，咨询最合适您设计需求的产物。

表1.孕育发生负电压的各类拓扑布局

参考文献

Ryan Schnell，“用双极性要领驱动单极性栅极驱动器”，《模仿对于话》，第52卷第10期，2018年10月。

“利用具备有源放电功效的MAX17291升压转换器集成电路从正输入电压孕育发生负输出电压”，ADI公司。

Frederik Dostal，“孕育发生负电压——为何需要于降压-升压电路中举行电平转换”，《模仿对于话》，第57卷第2期，2023年5月。

内部电源开关升压稳压器，ADI公司。

Steven Keeping，“Using an Inverting Regulator for Buck/Boost DC-to-DC Voltage Conversion”，DigiKey，2015年8月。

Thomas Schaeffner，“The Best Way to Generate a Negative Voltage for your System”，Newelectronics，2018年1月。

Frederik Dostal，“The Art of Generating Negative Voltages”，Power Systems Design，2016年1月。

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