负电压实现方法
目錄
- 方法一: 負壓芯片實現
- 方法二: Buck-Boost電路方法
- 方法三：用Buck芯片產生出負壓
- 結論
方法一: 負壓芯片實現
在電子市場或電子網站上，可以很容易找到使用charge pump方式的負電壓芯片，但是輸入的電壓最高只有5.5V左右, 帶載能力只有幾十毫安，比如TI TPS6040X series。此種負壓芯片輸出功率太小，不能滿足電腦和服務器電源的應用需求。
方法二: Buck-Boost電路方法
如下圖a的 Buck-Boost方法實現生成負壓的變換，當主開關Q 開通時，由于D反向，Vin 流過Q的電流只可以給電感L充電，如圖4(a)中 A 的描述路徑；當Q截止時，根據楞次定律，電流的方向變為圖4中 B的描述路徑，由圖4(a)可以看出，Vo輸出為負電壓。
使用Buck-Boost負電壓輸出的方法如下圖b所示。從圖中明顯可以看出，此種方法需要額外增加一個運算放大器A2，因為芯片的參考地還是最終和輸入的參考地連接在一起的，由于輸出是負電壓，需要對反饋信號做反向，然后送到FB，這種方法會增加額外成本，所以用Buck-Boost電路來實現負壓也不是太理想。
（a）Buck-Boost負電壓電路工作原理
（b）額外增加運算放大器
方法三：用Buck芯片產生出負壓
用AOS通用的一款Non-synchronous Buck AOZ1284PI實現正輸入負輸出的電壓變換，此芯片為高壓BUCK芯片，最高輸入電壓達到36V，帶載能力達到4A。
(a) 用BUCK芯片實現負電壓的原理圖
(b) BUCK芯片實現負壓輸出的工作原理
由上圖可以看出，此種方法沒有增加額外零件就可以實現正電壓輸入負電壓輸出，連接方式可以簡化為如圖4(b) 所示。
圖4原理圖的公式推導如下，假設二極管開關的正向導通壓降為Vd，MOS開關管為Vsw。主開關開通和關斷期間，電感上的電壓可列出如下式子：
Von=Vin-Vsw
Voff=Vo+Vd
根據伏秒法：Vonton=Vofftoff，則可以得出：
toff/ton=-(Vin-Vsw)/(Vo+Vd)
可以得到占空比方程為：
D=ton/(ton+toff)=ton/T
=(Vo+Vd)/(Vo+Vd-Vin+Vsw)
若MOS開關管和二極管的壓降遠小于輸入輸出電壓，上面占空比的公式可以簡化為：
D=Vo/(Vo-Vin)
所以，輸入和輸出的電壓關系可以表示為：
Vo=-Vin*D/(1-D)
從上面的公式中可以看出，輸出電壓的絕對值可以大于或者小于輸入電壓；由于在Q導通期間，輸入沒有向輸出提供能量，此時主要為輸出大電容提供能量維持給負載，只有在Q關斷時，由電感提供能量給負載且給輸出電容充電，所以，此種負輸出線路的輸出紋波比普通的正輸出降壓線路紋波要大。
此應用中，電感的選擇也非常的重要，下面介紹此應用中的電感公式推理。假定應用的開關頻率是f，開關周期為T，導通時間為：
ton=D*T
假定r為紋波因數，r=0.4，r為電感電流的紋波（最大值和最小值之差）和電感電流的平均值IDC的比值，電感的感量為：
L=Vinton/IDCr
其中電感的平均電流IDC為：
IDC=Io/(1-D)
另外從圖4可以看出，二極管續流期間，主開關管承受的壓降是：
VQ=Vin+Vd-(-Vo)=Vin+Vd+Vo
由此可以看出，用BUCK芯片實現負壓輸出的電路最高輸入電壓不能達到芯片的標稱值，而是由輸出電壓來決定的。以AOZ1284PI為例，忽略二極管壓降，假設輸出為-12V，最高輸入電壓只能為24V，不再是芯片標稱的36V。
由以上的公式推理可以看出，雖然使用的是BUCK芯片，但是因為連接方式的不同，本質上已經變換成Buck-Boost電路。所以不能用設計BUCK電路的思路來設計此負電壓輸出電路。
用AOZ1284PI Non-synchronous BUCK降壓芯片實現正輸入負輸出，以+12Vin 輸入，-12Vout輸出，帶載2A應用需求為例。
先用SMPLIS仿真軟件(參考線路如圖8)來模擬是否可以用Non-synchronous BUCK在不需要額外增加零件的情況下得到正輸入負輸出的電壓，把電感的輸出連接到輸入的地上，原來芯片的參考地（正輸出的地）作為輸出，即為負輸出，調整芯片外圍參數如參考線路。
（a）開機波形
（b）關機波形
D=Vo/(Vo-Vin)=-12/（-12-12）=50%
IDC=Io/(1-D)=2.16/(1-0.5)=4.32A
由計算結果和實際量測的波形數據比對來看，結果相一致。所以在實際應用中，需要注意電感電流的IPK值是否已經超過選用芯片的過流保護點及電感的額定電流值，因為實際帶載的電流Io比電感電流的IDC小很多，比電感的IPK小更多，所以，選擇一個合適的電感也是這個正輸入負輸出應用成功的關鍵之一。
通過上述電感量和額定電流公式計算得出此12V輸入轉-12輸出，帶載2A的應用為例的電感量可選擇39uH，額定電流最少5.2A(或與之相近的電感)。
結論
由于現有負壓芯片的輸出功率都比較低，不能夠滿足大功率的需求，在不增加額外成本的前提下，使用Non-synchronous BUCK轉換出負電壓的應用具有較好的帶載能力，且比普通負壓芯片更加靈活，應用范圍更加廣泛。
參考資料
鏈接: link.
[1] 劉松. 汽車電子系統中負壓變換器的設計. 電子設計應用,2009,04
[2] Zach Zhang. How to generate negative output. Alpha and Omega Semiconductor, Inc. Application Note PIC-002
總結
