【導(dǎo)讀】在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)傳感及精密醫(yī)療設(shè)備中，對正負對稱電壓的供電需求日益普遍。此類應(yīng)用通常要求僅通過單一正電源高效、穩(wěn)定地生成對應(yīng)的負電壓，這對電源設(shè)計提出了獨特挑戰(zhàn)。本文將深入解析相關(guān)市場趨勢與核心設(shè)計要求，系統(tǒng)對比主流技術(shù)方案，為市場與銷售團隊提供清晰的技術(shù)洞察與推廣支持。
摘要
在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)傳感及精密醫(yī)療設(shè)備中，對正負對稱電壓的供電需求日益普遍。此類應(yīng)用通常要求僅通過單一正電源高效、穩(wěn)定地生成對應(yīng)的負電壓，這對電源設(shè)計提出了獨特挑戰(zhàn)。本文將深入解析相關(guān)市場趨勢與核心設(shè)計要求，系統(tǒng)對比主流技術(shù)方案，為市場與銷售團隊提供清晰的技術(shù)洞察與推廣支持。
術(shù)語定義
轉(zhuǎn)換器：一種電源管理集成電路，其內(nèi)部可能集成了開關(guān)，也可能沒有集成開關(guān)。
穩(wěn)壓器：一種集成了開關(guān)的轉(zhuǎn)換器。
控制器：一種使用外部開關(guān)的轉(zhuǎn)換器。
市場
在眾多電子設(shè)計中，電源部分常常需要提供一個或多個負電壓，且通常與相應(yīng)的對稱正電壓共同存在。一些典型的應(yīng)用示例如下：
電動汽車充電器和牽引逆變器的柵極驅(qū)動器；例如，用于驅(qū)動氮化鎵(GaN)場效應(yīng)晶體管(FET)和隔離柵極雙極晶體管(IGBT)。
用于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)以及軌到軌運算放大器（運放）。
消費產(chǎn)品的LCD顯示屏。
驅(qū)動（雪崩）光電二極管時。
X射線等醫(yī)療應(yīng)用。
下文詳細介紹了此類設(shè)計的兩個典型方框圖。
柵極驅(qū)動器
對于大功率開關(guān)電源和電機驅(qū)動器而言，通常需要一個負驅(qū)動電壓，原因如下：
●系統(tǒng)的印刷電路板(PCB)布局可能并非緊密布置且耦合緊密，其電路接地端通常會與來自系統(tǒng)各處的噪聲相耦合，并且可能會在接地電平附近波動。
●諸如IGBT、碳化硅(SiC)或GaN FET等主要功率器件，除非它們都封裝在一個模塊內(nèi)，否則通常與柵極控制電路相距可達數(shù)厘米之遠。因此，來自柵極驅(qū)動器的信號在到達功率器件時可能會發(fā)生失真，需要額外的安全裕度。
●GaN FET等先進功率器件通常具有較低的導(dǎo)通閾值，這使得它們對柵極電壓振蕩更為敏感。一些高壓GaN FET可能具有較高的柵漏電容(CGD)或較大的工藝偏差范圍，這可能會導(dǎo)致米勒效應(yīng)引發(fā)的導(dǎo)通現(xiàn)象。在這種情況下，建議最終客戶施加一個負柵極電壓，以確保器件保持關(guān)斷狀態(tài)。對于某些類型的IGBT，需要施加一個負電壓才能使其完全關(guān)斷。
其中一個例子是使用隔離式驅(qū)動器ADuM4120。在這類應(yīng)用中，功率器件由正電壓（如V1）和負電壓（如V2）驅(qū)動，如圖1所示。
圖1.雙極性電源的設(shè)置示例。
軌到軌運算放大器
對于各種信號調(diào)理應(yīng)用，當(dāng)輸出需要實現(xiàn)接近電源的寬范圍變化，輸入需要圍繞基準電壓源擺動，或是對精度有著極高要求時，通常會使用軌到軌運算放大器。光電前置放大器系統(tǒng)的一個典型示例如圖2所示。這種設(shè)計需要一個正15 V電壓和一個負15 V電壓。
圖2.超低噪聲1M TIA光電二極管放大器的典型應(yīng)用電路。
要求
從主電源產(chǎn)生正電壓的集成電路拓撲通常已廣為人知，包括低壓差(LDO)穩(wěn)壓器、降壓型、升壓型、壓型-升降型等。然而，以往的文獻中并未對負電壓生成方案的選擇與權(quán)衡進行深入探討。下面來看一些相關(guān)要求和設(shè)計挑戰(zhàn)。
隔離
有時，正負電壓需要與電源隔離，這主要是出于安全方面的考慮，或者是因為不存在公共接地。例如，在電動汽車動力系統(tǒng)中，12 V控制總線主要由12 V輔助電池供電。為了控制高壓電池，必須進行隔離，這樣一來，任何低壓故障都不會導(dǎo)致安全隱患。通常，這樣的12 V電壓會在經(jīng)過電氣隔離后轉(zhuǎn)換為±5 V或±15 V，以便為牽引逆變器或充電器中的多個信號鏈和驅(qū)動集成電路供電。其他一些工業(yè)逆變器，如光伏逆變器或電機驅(qū)動器，可能也需要進行隔離。
小尺寸
對于某些應(yīng)用，如醫(yī)療病人監(jiān)護儀，小型化是一個關(guān)鍵設(shè)計目標。這類器件需要通過多個高精度轉(zhuǎn)換器讀取并放大各種傳感器信號。因此，非常需要一種能產(chǎn)生正負電壓為這些轉(zhuǎn)換器供電的微型解決方案。
效率
對于任何新設(shè)計而言，提高效率往往都是目標之一。例如，在運算放大器應(yīng)用中，一個普遍的趨勢是使用更低的軌電壓，前提是輸出端沒有明顯的失真，而且如果產(chǎn)生這些軌電壓所消耗的功率更少，效率也就更高。
時序和對稱性
對于像醫(yī)用X射線這樣的特殊應(yīng)用，正負電壓可能并不需要很高的精度，但它們必須是對稱的，且絕對值的差異要極小。因此，最好對正負電壓都進行精確的調(diào)節(jié)和時序控制。
解決方案
解決方案按照復(fù)雜程度和總體性能的順序列出，同時也列出它們的優(yōu)缺點以便進行比較。
齊納二極管
一種不使用集成電路來產(chǎn)生正負電壓的簡單方法是使用齊納二極管，如圖3所示。在這種解決方案中，V3源的輸出由Dz和Rz進行分壓。如果V3為9 V，Dz是一個5 V齊納二極管，那么柵極將由+5 V和-4 V的電壓驅(qū)動。由于不需要額外的集成電路，這種方法成本較低。然而，這種解決方案效率極低，并且不適用于那些需要幾十毫安電流以及輸出電壓需精確調(diào)節(jié)的應(yīng)用場景。因此，這種拓撲結(jié)構(gòu)并不常用。
圖3.負電壓齊納二極管軌的示例。
電荷泵
使用電荷泵是一種將正輸入電壓進行反相的便捷方法，因為不需要磁性元件。市面上有許多能實現(xiàn)此功能的電荷泵集成電路，并且在不同情況下各有優(yōu)勢。
對于低功耗需求，ADI公司提供了多種穩(wěn)壓和非穩(wěn)壓電荷泵，例如圖4中的LTC1983。雖然這種解決方案非常簡單且外形小巧，但缺點在于效率方面，并且可能會產(chǎn)生較高的電磁干擾(EMI)。這類器件在負載電流方面存在限制，通常用于所需電流小于100 mA的應(yīng)用。
圖4.100 mA、-3 V輸出的DC-DC轉(zhuǎn)換器典型應(yīng)用電路。
另外，考慮到需要低噪聲/低電磁干擾(EMI)以避免對其他敏感電路產(chǎn)生干擾（尤其是對于醫(yī)療設(shè)備、傳感和通信應(yīng)用而言），ADI公司提供了諸如LTC3265之類的產(chǎn)品，在雙電荷泵的每個輸出端都集成了低噪聲LDO穩(wěn)壓器（見圖5）。雖然輸出電流限制在50 mA，但這種解決方案對電磁干擾更為友好，并且僅用一個集成電路就集成了正輸出軌和負輸出軌。由于輸出噪聲極低，在驅(qū)動低功耗運算放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的精密儀器儀表應(yīng)用中，非常有用。
圖5.單12 V輸入產(chǎn)生低噪聲±15 V輸出的典型應(yīng)用電路。
在既需要高負載電流的正電壓軌（用于系統(tǒng)供電），又需要較小負載電流的負電壓軌（用于偏置或基準電壓源）的應(yīng)用中，一個分立的負電壓電荷泵幾乎可以應(yīng)用于任何降壓型或升壓型穩(wěn)壓器，且無需額外的集成電路?！笆褂镁哂杏性捶烹姽δ艿腗AX17291升壓轉(zhuǎn)換器集成電路從正輸入電壓產(chǎn)生負輸出電壓”這篇文章中展示了一個示例電路，使用MAX17291搭配外部電路來構(gòu)成電荷泵。其缺點在于電荷泵的負載調(diào)整和動態(tài)負載響應(yīng)能力。
反相轉(zhuǎn)換器
在已知輸入/輸出組合且無需精確穩(wěn)壓的場景中，電荷泵相對更為實用，而相關(guān)的噪聲干擾則可通過額外的濾波措施來處理。對于那些輸入或輸出電壓范圍較寬且對穩(wěn)壓要求嚴格的應(yīng)用，建議采用基于電感的開關(guān)模式拓撲結(jié)構(gòu)。
有幾種這樣的拓撲結(jié)構(gòu)可以處理正電壓到負電壓的轉(zhuǎn)換，它們通常都被歸類為反相拓撲結(jié)構(gòu)，但這種歸類方式可能會讓工程師產(chǎn)生混淆。雖然它們通常都能完成相同的功率轉(zhuǎn)換任務(wù)，但在設(shè)計上需要進行權(quán)衡取舍。以下是三種典型的拓撲結(jié)構(gòu)：前兩種較為相似；然而，使用降壓型集成電路盡管并非專門為產(chǎn)生負電壓而設(shè)計，但它能提供更多的選擇。
使用降壓型集成電路的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
獨立式反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
雙電感器(CüK)反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
拓撲結(jié)構(gòu) (1)：使用降壓型集成電路的反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
當(dāng)?shù)湫偷耐浇祲恨D(zhuǎn)換器的輸出側(cè)與電路接地進行切換時，就會產(chǎn)生一個反相降壓-升壓(IBB)轉(zhuǎn)換器，如圖6所示。這種方法很受歡迎，因為市面上有許多可供選擇的同步降壓穩(wěn)壓器或控制器。對于噪聲敏感型應(yīng)用，ADI的Silent Switcher?單片降壓穩(wěn)壓器，例如采用Silent Switcher 3技術(shù)的LT8624S，可配置為IBB以產(chǎn)生具有出色的寬帶和EMI噪聲性能的負電壓軌。圖6顯示了將LT8624S用作IBB的轉(zhuǎn)換器的一個示例電路，詳見“針對噪聲敏感型應(yīng)用的快速瞬變負電壓軌”這篇文章。為了進行進一步的濾波處理，可以在輸出端添加一個低噪聲的負輸入LDO穩(wěn)壓器。如果在使用這種拓撲結(jié)構(gòu)時需要更高的功率，ADI公司有多種同步降壓控制器可供選擇，并且可以搭配外部FET使用。
這里的不足之處在于，這種集成電路所參考的是降壓轉(zhuǎn)換器的接地，而非系統(tǒng)接地（系統(tǒng)接地是輸出的正極側(cè)）。如果需要微控制器來執(zhí)行諸如使能、同步之類的功能，或者僅僅是接收PGOOD信號，那么可能就需要一個外部電平轉(zhuǎn)換器電路，這可能會不太方便。關(guān)于這種額外電平轉(zhuǎn)換器電路的示例，可以參閱“產(chǎn)生負電壓——為什么需要在降壓-升壓電路中進行電平轉(zhuǎn)換”這篇文章，如圖6所示。如果需要PMBus? /I2C通信，則電平轉(zhuǎn)換器可能無法發(fā)揮作用，并且可能需要外部數(shù)字隔離器IC。
如果使用的是無需外部傳感或控制的轉(zhuǎn)換器，那么將降壓型IC用作IBB會更受青睞，因為這樣會有更豐富的選擇。不管具備何種電壓和電流額定值，所有降壓型負載點轉(zhuǎn)換器都可以通過這種方式進行配置，但大多數(shù)都需要外部電平轉(zhuǎn)換器以便進行外部控制。
圖6.使用LT8624S降壓型IC的IBB轉(zhuǎn)換器。
拓撲結(jié)構(gòu) (2)：獨立式反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
當(dāng)應(yīng)用中不希望使用外部電平轉(zhuǎn)換器時，有兩種解決方案：使用異步IBB，或者將電平轉(zhuǎn)換器集成到降壓型IC中。例如：
●異步IBB：可以通過使用PMOS作為主開關(guān)，并采用二極管來替代同步開關(guān)，從而設(shè)計出異步IBB。這樣一來，IC就可以參考系統(tǒng)接地，而無需電平轉(zhuǎn)換器。在這種情況下，輸出負載的正極側(cè)連接到輸入接地。這里的IC選項可以是如圖7所示的LTC3863。它的效率通常比使用降壓型IC要低，因為PMOS和二極管所產(chǎn)生的損耗，通常要比基于NMOS的同步轉(zhuǎn)換器更大。
圖7.異步IBB轉(zhuǎn)換器。
●集成了電平轉(zhuǎn)換器的降壓型IBB：把降壓型IC用作IBB時，無需使用外部電平轉(zhuǎn)換器，而是可以將每個輸入和輸出信號各自對應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換器集成到IC中。這對于設(shè)計師來說十分方便。例如，MAX17577/MAX17578和MAX17579/MAX17580都是基于降壓的IBB轉(zhuǎn)換器，它們在EN和RESET引腳集成了電平轉(zhuǎn)換器。
如果需要高功率和高效率，那么推薦使用LTC3896。它是一款更為精密的高性能同步開關(guān)控制器，并且集成了電平轉(zhuǎn)換器。盡管它采用38引線TSSOP封裝，是相對較大的一款I(lǐng)C，但它的能源效率非常高，而且兩個開關(guān)均支持使用NMOS。對于功率需要大于100 W的場景，建議使用這款器件。
拓撲結(jié)構(gòu) (3)：雙電感器(CüK)反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器
當(dāng)需要考慮開關(guān)噪聲問題時，CüK轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生負輸出電壓，且其造成的噪聲比IBB轉(zhuǎn)換器要小。這種拓撲結(jié)構(gòu)如圖8所示，它包含兩個電感器和一個耦合電容。這種轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點在于其結(jié)構(gòu)簡單，僅需一個低端開關(guān)即可將輸入電壓反相，并且該開關(guān)可以是NMOS，因此效率很高。例如，LT8330僅需8個引腳，而且設(shè)計起來并不困難。此IC是ADI的穩(wěn)壓器之一，它集成了兩個誤差放大器，因而能夠檢測正輸出電壓或負輸出電壓。類似的穩(wěn)壓器，例如LT8331、LT8333、LT8334、LT8570和LT8580，提供了不同的額定參數(shù)和特性，以滿足各種常見的應(yīng)用需求。
圖8.簡化的反相轉(zhuǎn)換器。
雖然這種拓撲結(jié)構(gòu)確實需要兩個電感器，但若像圖8所示那樣將兩個電感器進行耦合，輸出紋波會顯著降低，還可能減小輸出電容的尺寸。此外，由于輸入側(cè)和輸出側(cè)各有一個電感器，因此電流是連續(xù)的，并且整個電路的噪聲也要小于其他拓撲結(jié)構(gòu)。如果需要更大的功率，采用LT3758等帶有外部低端FET的控制器IC可能是一個不錯的選擇。
反激式轉(zhuǎn)換器
如果出于隔離目的而需要變壓器（比如在反激式轉(zhuǎn)換器中），那么只需在輸出側(cè)增加另一個繞組，就能非常容易地產(chǎn)生正負輸出電壓。在這個變壓器上，通過設(shè)置多個繞向不同的繞組，并配合使用隔離二極管，就能夠產(chǎn)生正電壓或負電壓，如圖9所示。例如，LT8306無需使用光耦合器來進行反饋，從而節(jié)省了物料清單成本。
盡管這種方式很方便，但所產(chǎn)生的負電壓是未經(jīng)過穩(wěn)壓的。如果需要穩(wěn)壓，建議在輸出端添加另一個負輸入LDO穩(wěn)壓器。
圖9.帶有多個輸出繞組的典型反激式轉(zhuǎn)換器。
特殊雙多拓撲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器
考慮到大多數(shù)需要負輸出電壓的應(yīng)用同時也需要與之互補的正輸出電壓，ADI公司提供了多種解決方案。這些方案采用了先前提到的拓撲結(jié)構(gòu)，并且能在一個集成電路內(nèi)提供兩個或更多的正負電壓。
一些例子如下：
雙42 VIN、3 A升壓/反相穩(wěn)壓器LT8582；
雙50 VIN、2 A多拓撲結(jié)構(gòu)穩(wěn)壓器LT8471；
雙5.5 VIN、2 A/1.2 A升壓/反相穩(wěn)壓器ADP5076；
3通道60 V隔離式微功率管理單元ADP1034
圖10.5 V至±12 V升壓和反相轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用電路。
電源模塊解決方案
對于許多希望解決方案尺寸超小，或者想要現(xiàn)成的完全集成式電源解決方案的工程師來說，可以考慮使用微型電源模塊。
例如，LTM4655是一款40 VIN、雙4 A反相μModule?穩(wěn)壓器，具有兩個完全獨立的輸出通道，每個通道都可配置為正輸出或負輸出，并且其低電磁干擾性能已符合EN550222 B類標準，可以節(jié)省大量的設(shè)計和故障排除工作。
LTM8049是另一個不錯的選擇，其輸入電壓最高可達20 V，兩個輸出端的輸出電壓最高可達+24 V，最低可至–24 V。
結(jié)論
在系統(tǒng)中增加負電壓軌并不方便，因此集成電路供應(yīng)商將“無需負電壓”作為一大優(yōu)勢進行推廣。例如，GaNFET制造商正在說服客戶不要使用負柵極驅(qū)動，而運算放大器制造商則推薦性能更好的單電源運算放大器。然而，在許多高端應(yīng)用中，對負電壓的需求仍然存在。
表1列出了本文提及的一些解決方案的對比情況，以供參考。ADI公司制造了數(shù)千種適用的集成電路，這些產(chǎn)品具有不同的拓撲結(jié)構(gòu)和不同的額定參數(shù)，因此所推薦的限制條件和一般特性可能帶有主觀性，并且因各個產(chǎn)品型號的不同而有所差異。如果您是一名設(shè)計工程師，在閱讀本文時，除了在analog.com上進行搜索之外，還請隨時聯(lián)系當(dāng)?shù)氐腁DI代表，咨詢最適合您設(shè)計需求的產(chǎn)品。
表1.產(chǎn)生負電壓的各種拓撲結(jié)構(gòu)
參考文獻
Ryan Schnell，“用雙極性方法驅(qū)動單極性柵極驅(qū)動器”，《模擬對話》，第52卷第10期，2018年10月。
“使用具有有源放電功能的MAX17291升壓轉(zhuǎn)換器集成電路從正輸入電壓產(chǎn)生負輸出電壓”，ADI公司。
Frederik Dostal，“產(chǎn)生負電壓——為什么需要在降壓-升壓電路中進行電平轉(zhuǎn)換”，《模擬對話》，第57卷第2期，2023年5月。
內(nèi)部電源開關(guān)升壓穩(wěn)壓器，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。
推薦閱讀：
尋找TE元件？貿(mào)澤電子供應(yīng)TE Connectivity超75萬種元器件
