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采用降压型控制器产生负电压

来源：电子产品世界

2020-09-03

类别：设计应用

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原标题：采用降压型控制器产生负电压

采用降压型（Buck）控制器产生负电压是一种灵活且高效的电路设计方法，尤其适用于需要为模拟电路（如运算放大器、ADC/DAC）提供双电源（如±5V、±12V）的场景。其核心思路是通过反相拓扑（如反相电荷泵、反激式或Cuk转换器）将降压控制器的输出电压极性反转。以下是详细的技术方案、设计要点及实际应用案例：

一、核心原理：降压控制器的反相应用

降压控制器（如LM2596、TPS5430）通过调节开关管的占空比，将输入电压降压为。要产生负电压，需通过以下方式重构电路：

反相电荷泵（Inverting Charge Pump）

原理：利用电容的充放电特性，在降压控制器的输出端（原正电压）与地之间插入电容，通过开关切换将电容电压极性反转，从而在输出端得到负电压。
特点：结构简单、成本低，但输出电流受限（通常<1A），适合低功耗场景。

反激式拓扑（Flyback Converter）

原理：在降压控制器基础上增加变压器，通过变压器原副边的耦合关系实现电压反相。原边由降压控制器驱动，副边通过整流二极管和滤波电容输出负电压。
特点：支持高输出电流（可达数安培），但需设计变压器和反馈环路，复杂度较高。

Cuk转换器

原理：结合升压和降压功能，通过电感-电容网络实现电压反相。输入输出电流连续，纹波小。
特点：适合需要低纹波、高效率的场景，但元件数量较多。

二、方案一：反相电荷泵（低成本实现）

1. 典型电路结构

核心元件：降压控制器（如LM2596）、耦合电容、储能电容、肖特基二极管 D1。
工作过程：

充电阶段：降压控制器输出正电压（如+5V），通过 D1 对充电，上极板电压为，下极板为 0V。
放电阶段：降压控制器关闭开关管，通过负载放电，下极板电压被拉低至（相对于地），形成负电压输出。

2. 设计要点

电容选型：

：低等效串联电阻（ESR）的陶瓷电容（如 X7R），容量 10μF~100μF（根据输出电流和纹波要求）。
：电解电容（100μF~1000μF）用于滤波，减小输出纹波。

二极管选择：肖特基二极管（如 1N5819）因低正向压降（0.2V~0.3V）可减少效率损失。
效率优化：提高开关频率（如 1MHz）可减小电容体积，但需权衡开关损耗。

3. 优缺点

优点：电路简单、成本低、适合低功耗场景。
缺点：输出电流受限（通常<500mA），输出电压纹波较大（约 50mV~200mV）。

三、方案二：反激式拓扑（高功率实现）

1. 典型电路结构

核心元件：降压控制器（如 TPS5430）、变压器 T1、副边整流二极管 D2、输出滤波电容、反馈电阻、。
工作过程：

原边驱动：降压控制器调节开关管占空比，在变压器原边产生交变电流。
副边整流：变压器副边感应出反相电压，通过 D2 整流和滤波后输出负电压（如 -12V）。
反馈控制：通过、分压采样输出电压，反馈至降压控制器的 FB 引脚，实现闭环稳压。

2. 设计要点

变压器设计：

匝数比根据输入输出电压计算（如）。
选择磁芯材料（如铁氧体）和线径，避免磁芯饱和和温升过高。

反馈环路补偿：反激式电路需优化补偿网络（如 RC 并联网络）以避免振荡。
效率优化：选择低导通电阻（）的 MOSFET 作为开关管，减少导通损耗。

3. 优缺点

优点：支持高输出电流（可达数安培），输出电压稳定。
缺点：电路复杂、需设计变压器，成本较高。

四、方案三：Cuk转换器（低纹波实现）

1. 典型电路结构

核心元件：降压控制器、电感、、电容、、二极管 D1、开关管 Q1。
工作原理：通过电感-电容网络实现电压反相，输入输出电流连续，纹波小。

2. 设计要点

电感选型：选择高饱和电流的电感（如铁粉芯电感），避免磁芯饱和。
电容选型：、需低 ESR，容量较大（如 100μF）。
控制方式：需修改降压控制器的驱动信号以适应 Cuk 拓扑的时序要求。

3. 优缺点

优点：输出纹波小、效率高（可达 90% 以上）。
缺点：元件数量多，设计复杂度较高。

五、实际应用案例：为运算放大器提供±15V 电源

1. 需求分析

输入电压：+24V（直流电源）。
输出电压：+15V（直接由降压控制器生成）、-15V（需反相生成）。
输出电流：每个电源需提供 50mA（总电流 100mA）。

2. 方案选择

正电压生成：使用 LM2596 将 +24V 降压至 +15V。
负电压生成：采用反相电荷泵方案（因输出电流较小，无需反激式）。

3. 电路实现

正电压部分：

LM2596 配置为标准降压电路，输出 +15V。

负电压部分：

使用 LM2596 的输出端（+15V）作为反相电荷泵的输入。
选择 10μF 陶瓷电容作为，100μF 电解电容作为。
肖特基二极管选用 1N5819。

4. 测试结果

输出电压：+15V（纹波 <50mV），-15V（纹波 <100mV）。
效率：整体效率约 85%（反相电荷泵部分效率约 90%）。

六、关键注意事项

负载调整率：反相电荷泵的输出电压会随负载电流变化，需通过增加输出电容或优化反馈环路改善。
启动冲击：反激式电路在启动时可能产生高压尖峰，需在变压器原边并联 TVS 二极管（如 1N4748A）进行钳位。
热设计：降压控制器和开关管需计算功耗并预留散热路径（如 PCB 铜箔加厚或添加散热片）。
EMI 设计：反激式电路需添加输入滤波器（如共模电感）以抑制电磁干扰。

七、总结：方案对比与选型建议

方案	适用场景	输出电流	复杂度	成本	纹波
反相电荷泵	低功耗（<500mA）、简单电路	10mA~500mA	低	低	50mV~200mV
反激式拓扑	高功率（>1A）、稳定输出	1A~10A	高	高	10mV~50mV
Cuk 转换器	低纹波、高效率	100mA~2A	中	中	<10mV