三種負(fù)電壓電源設(shè)計(jì)方案

在電子設(shè)備中，負(fù)電壓電源的應(yīng)用非常廣泛，特別是在模擬電路、通信系統(tǒng)和信號(hào)處理等領(lǐng)域中。設(shè)計(jì)負(fù)電壓電源系統(tǒng)時(shí)，我們需要考慮多種方案來(lái)滿足不同的需求。本文將詳細(xì)探討三種常見(jiàn)的負(fù)電壓電源設(shè)計(jì)方案：使用反向變壓器的傳統(tǒng)方案、使用DC-DC轉(zhuǎn)換器的現(xiàn)代方案、以及使用專用負(fù)電壓轉(zhuǎn)換芯片的方案。

一、使用反向變壓器的傳統(tǒng)負(fù)電壓電源設(shè)計(jì)方案

1. 反向變壓器基本原理

使用反向變壓器設(shè)計(jì)負(fù)電壓電源是一種傳統(tǒng)且簡(jiǎn)單的方案。這種方案通常應(yīng)用在需要較高電流負(fù)電壓的場(chǎng)景，尤其是在一些老舊的電子設(shè)備中，仍然使用此方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。該方案的核心組件是變壓器。

反向變壓器設(shè)計(jì)的基本思路是通過(guò)變壓器的原副繞組的電壓極性反轉(zhuǎn)來(lái)獲得負(fù)電壓。例如，原副繞組分別設(shè)計(jì)為正負(fù)電壓的二次側(cè)，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼?、濾波電路，得到所需要的負(fù)電壓。

2. 設(shè)計(jì)過(guò)程

設(shè)計(jì)一個(gè)基于反向變壓器的負(fù)電壓電源時(shí)，首先需要確定負(fù)電壓的幅度和輸出電流。變壓器的選擇要根據(jù)負(fù)電壓幅度、輸入電壓以及所需輸出功率來(lái)確定。此外，變壓器的工作頻率、磁芯材料以及繞組的數(shù)量和線徑都會(huì)影響最終電源性能。

反向變壓器電路通常包括以下幾個(gè)部分：

• 變壓器：負(fù)責(zé)電壓轉(zhuǎn)換，通常為高頻變壓器。

• 整流電路：使用二極管橋式整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。

• 濾波電路：包括電解電容、電感等，用于濾除高頻噪聲和脈動(dòng)。

• 電壓調(diào)節(jié)器：使用低壓差線性穩(wěn)壓器或開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)輸出電壓。

3. 主控芯片的作用

在傳統(tǒng)的反向變壓器電源設(shè)計(jì)中，主控芯片的作用主要集中在對(duì)電源的監(jiān)控和控制。一般來(lái)說(shuō)，主控芯片可以使用一些低功耗的微控制器（MCU）或?qū)Ｓ眉呻娐罚↖C）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流的檢測(cè)和調(diào)節(jié)。例如，常用的微控制器型號(hào)如STM32F103系列或ATmega328P等都可以用于此類設(shè)計(jì)。

例如，STM32F103C8T6系列微控制器是一款常見(jiàn)的32位MCU，它可以用來(lái)監(jiān)控電壓，并通過(guò)PWM控制變壓器的輸出。該芯片具有多種模擬輸入，能夠?qū)崟r(shí)獲取電壓信息并進(jìn)行控制，確保電源輸出穩(wěn)定。

二、使用DC-DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)電壓電源設(shè)計(jì)方案

1. DC-DC轉(zhuǎn)換器的基本原理

使用DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種現(xiàn)代化的負(fù)電壓電源設(shè)計(jì)方案。DC-DC轉(zhuǎn)換器能夠高效地將正電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓，尤其在電源效率和體積要求較高的場(chǎng)合，這種方案變得更加普遍。

DC-DC轉(zhuǎn)換器工作原理基于開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）技術(shù)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)元件（如MOSFET）來(lái)調(diào)節(jié)電流和電壓，從而實(shí)現(xiàn)電壓的升壓、降壓或反轉(zhuǎn)。為了獲得負(fù)電壓，DC-DC轉(zhuǎn)換器通常采用反轉(zhuǎn)型電路。

2. 設(shè)計(jì)過(guò)程

DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)涉及以下幾個(gè)主要步驟：

• 選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：如反向升降壓（Inverting Buck-Boost）拓?fù)浠蜇?fù)電壓降壓（Buck）拓?fù)?。反向升降壓拓?fù)湓谪?fù)電壓設(shè)計(jì)中尤為常見(jiàn)。

• 選擇合適的主控芯片：設(shè)計(jì)DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，通常使用專門的控制IC，如LM2577、LM2665等，這些控制芯片能夠提供負(fù)電壓轉(zhuǎn)換，并且在負(fù)載變化時(shí)維持穩(wěn)定輸出。

• 濾波和保護(hù)電路：設(shè)計(jì)時(shí)需確保電路有良好的濾波和過(guò)壓保護(hù)，防止高頻噪聲對(duì)其他電路的干擾。

例如，LM2577是一款常用的DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片，具有寬輸入電壓范圍（通常為4V至40V），并能夠提供高達(dá)-15V的負(fù)電壓輸出。其內(nèi)置的開(kāi)關(guān)控制電路使得設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，同時(shí)還包括了過(guò)流、過(guò)溫等保護(hù)功能。

3. 主控芯片的作用

在這種方案中，主控芯片的作用不僅僅是調(diào)節(jié)輸出電壓，還需要處理開(kāi)關(guān)頻率、反饋環(huán)路等問(wèn)題。芯片通常會(huì)使用PWM（脈寬調(diào)制）控制器來(lái)控制開(kāi)關(guān)元件（如MOSFET），以穩(wěn)定輸出電壓。

例如，LM2665芯片用于負(fù)電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，其工作原理基于反向降壓原理，在輸出端產(chǎn)生負(fù)電壓。該芯片具有較高的效率和較小的體積，廣泛應(yīng)用于低功耗便攜設(shè)備。

三、使用專用負(fù)電壓轉(zhuǎn)換芯片的負(fù)電壓電源設(shè)計(jì)方案

1. 專用負(fù)電壓轉(zhuǎn)換芯片的基本原理

近年來(lái)，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，許多負(fù)電壓轉(zhuǎn)換芯片應(yīng)運(yùn)而生。這些芯片專門用于提供負(fù)電壓輸出，通常具有非常高的效率，并且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，適合用于高頻和高效能的應(yīng)用場(chǎng)合。

負(fù)電壓轉(zhuǎn)換芯片的工作原理通常包括通過(guò)電感、電容和開(kāi)關(guān)元件的配合，進(jìn)行負(fù)電壓的穩(wěn)壓和轉(zhuǎn)換。常見(jiàn)的負(fù)電壓轉(zhuǎn)換芯片包括 ICL7660、MAX232、LT1931等。

2. 設(shè)計(jì)過(guò)程

在使用專用負(fù)電壓轉(zhuǎn)換芯片時(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)化。選擇芯片時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)因素：

• 輸入輸出電壓范圍：根據(jù)電源輸入的電壓來(lái)選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換芯片。例如，ICL7660能夠從+5V的輸入電壓生成-5V的輸出電壓。

• 輸出電流和功率要求：選擇適合所需輸出電流的芯片。

• 濾波電路：盡管負(fù)電壓轉(zhuǎn)換芯片集成了基本的濾波功能，但為了更好地抑制噪聲，仍然需要增加適當(dāng)?shù)耐獠繛V波電容。

3. 主控芯片的作用

在使用專用負(fù)電壓轉(zhuǎn)換芯片的設(shè)計(jì)中，主控芯片的作用通常是提供必要的控制信號(hào)或監(jiān)控功能。很多應(yīng)用場(chǎng)景下，主控芯片不再直接參與電源轉(zhuǎn)換過(guò)程，而是作為系統(tǒng)的管理和調(diào)度芯片。例如，使用 ATmega328P 或 STM32F103 這樣的微控制器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控負(fù)電壓電源的狀態(tài)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)論

通過(guò)本文對(duì)三種負(fù)電壓電源設(shè)計(jì)方案的探討，可以看出，不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)負(fù)電壓電源設(shè)計(jì)有著不同的要求。從傳統(tǒng)的反向變壓器方案到現(xiàn)代的DC-DC轉(zhuǎn)換器方案，再到使用專用負(fù)電壓轉(zhuǎn)換芯片的方案，每種方案都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。選擇適合的方案可以幫助設(shè)計(jì)人員更高效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的需求，同時(shí)降低開(kāi)發(fā)和維護(hù)的復(fù)雜性。

在選擇主控芯片時(shí)，常見(jiàn)的微控制器和集成電路，如STM32F103、ATmega328P、LM2577等，都可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需求來(lái)提供精準(zhǔn)的電壓控制和電源管理功能。