之前，我寫(xiě)了一篇解釋負(fù)電壓基本原理的文章，我在LTspice實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)這個(gè)主題，該實(shí)驗(yàn)室使用模擬來(lái)闡明負(fù)電壓是發(fā)生在電路中并由電路產(chǎn)生的東西。作為此 LTspice 實(shí)驗(yàn)室的一部分，我還將介紹一種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它可以產(chǎn)生穩(wěn)定的負(fù)電壓并能夠?yàn)槠渌M件提供電流。

在這個(gè)新的系列文章中，我想更詳細(xì)地了解這個(gè)負(fù)電壓電路的功能，目的是加深我們對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的開(kāi)關(guān)電容電源和一般電源如何工作的理解?？梢?xún)?yōu)化。 

回顧：來(lái)自電容器和開(kāi)關(guān)的負(fù)電壓

在深入研究之前，讓我們看一下圖 1，它顯示了我之前在上一篇負(fù)電壓文章中介紹的電荷泵電路。

圖 1.示例電荷泵電路。

在電路原理圖中，V1 產(chǎn)生輸入電壓，V2 產(chǎn)生一個(gè) 500 kHz 的方波來(lái)控制所有四個(gè)開(kāi)關(guān)。由于 SW1 和 SW2 模型中分配給開(kāi)和關(guān)狀態(tài)的電阻值不同，當(dāng) S2 和 S3 關(guān)斷時(shí)，S1 和 S3 導(dǎo)通，反之亦然。當(dāng) S1 和 S3 允許電流流動(dòng)時(shí)，源電壓對(duì)電容器 C1 充電，然后所有四個(gè)開(kāi)關(guān)改變狀態(tài)，使得 C1 放電到電路的右側(cè)。

接下來(lái)，C2 獲得等于 V1 電源電壓的電位差，但由于 C2 的較高電壓端接地，較低電壓端必須轉(zhuǎn)移到負(fù)電壓區(qū)域。因此，INVERTED 節(jié)點(diǎn)的電壓等于負(fù) V(SOURCE)。換言之，VOUT = –VIN。

下圖（圖 2）顯示了輸出電壓下降并保持在 –VIN。

圖 2.顯示輸出電壓下降并保持在 –VIN 的示例圖。

了解負(fù)載電阻的影響

也許您想知道開(kāi)關(guān)電容電路是否好得令人難以置信。只有兩個(gè)電容器、四個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)方波？這就是我們生成良好調(diào)節(jié)的負(fù)電壓電源軌所需的全部嗎？好吧，不完全是；該電路實(shí)際上不是穩(wěn)壓器。

它不是穩(wěn)壓器，因?yàn)樗鄙賹?duì)線(xiàn)性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器運(yùn)行至關(guān)重要的東西：反饋?zhàn)酉到y(tǒng)。穩(wěn)壓器通過(guò)監(jiān)控輸出并通過(guò)負(fù)反饋補(bǔ)償負(fù)載變化來(lái)維持穩(wěn)定、可預(yù)測(cè)的電源電壓。

我們的開(kāi)關(guān)電容電荷泵沒(méi)有任何類(lèi)型的負(fù)反饋控制系統(tǒng)，因此，負(fù)載電阻的降低將導(dǎo)致輸出電壓相應(yīng)降低。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)檩敵鼍W(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一個(gè)分壓器。考慮到這一點(diǎn)，當(dāng) RLOAD = 100 kΩ 時(shí)，我們?cè)谳敵龆擞型暾?–VIN，因?yàn)?100 kΩ 遠(yuǎn)高于電荷泵的源電阻 (ROUT)。隨著 RLOAD 向 ROUT 減小，電壓在這兩個(gè)電阻之間的分配更加平均，因此輸出電壓（即 RLOAD 兩端的電壓）減小。

您也可以從負(fù)載電流的角度考慮這一點(diǎn)。假設(shè)負(fù)載電路的操作發(fā)生變化，使得電源必須提供更多電流（這在電氣上等效于 RLOAD 的降低）。發(fā)生這種情況時(shí)，更多的電流流過(guò) ROUT，更多的電壓通過(guò) ROUT 下降，輸出節(jié)點(diǎn)處可用的輸入電勢(shì)差的比例更小。 

在 LTspice 中模擬可變負(fù)載電阻

我們可以使用 .step 文本命令，直接放在LTspice原理圖上，以直觀地評(píng)估不同 RLOAD 的影響：

.step 參數(shù)加載列表 100k 10k 1k 100 10  

此語(yǔ)句將使模擬針對(duì)附加到變量 LOAD 的列表中的每個(gè)值運(yùn)行。我們想將這些值分配給 RLOAD 組件，我們通過(guò)在組件值字段（如圖 3 所示）中使用 {LOAD}（不要忘記大括號(hào)）來(lái)實(shí)現(xiàn)：

圖 3. 顯示 Rload {LOAD} 的電荷泵電路的一部分。  

結(jié)果可以在下面的圖 4 中看到。

圖 4. 示例電荷泵電路的仿真結(jié)果。

三個(gè)電阻值（100 kΩ、10 kΩ、1 kΩ）都導(dǎo)致類(lèi)似的性能，并且與這三個(gè)值對(duì)應(yīng)的跡線(xiàn)幾乎無(wú)法區(qū)分。然而，在 100 Ω（米色跡線(xiàn)）時(shí)，我們開(kāi)始注意到輸出電壓下降，而在 10 Ω（綠色跡線(xiàn)）時(shí)，下降相當(dāng)嚴(yán)重。

（我相信您還注意到，隨著負(fù)載電阻的降低，電壓紋波會(huì)顯著增加。我們將在第 2 部分中對(duì)此進(jìn)行討論。）

評(píng)估輸出電壓的應(yīng)用可行性

像這樣的模擬幫助我們確定電路是否會(huì)為給定應(yīng)用保持足夠的輸出電壓。假設(shè)我們需要負(fù)電壓來(lái)為電源要求為 –5 V ± 0.3 V 的組件供電；在這種情況下，可接受的電壓幅度為 4.7 V。使用我們之前的結(jié)果作為起點(diǎn)，我們創(chuàng)建了另一個(gè)仿真（圖 5），其 RLOAD 值將使我們接近相關(guān)電壓閾值。

.step 參數(shù)加載列表 300 100 70 40 

圖 5.   RLOAD 使我們接近相關(guān)電壓閾值的仿真結(jié)果。   

我們的結(jié)果表明，安全 RLOAD 略低于 70 Ω。我們稱(chēng)之為 65 Ω。RLOAD = 65 Ω 的單次運(yùn)行仿真確認(rèn)我們（理論上）在可接受的范圍內(nèi)，如下圖 6 所示。

圖 6.  RLOAD = 65 Ω 時(shí)的單個(gè)仿真結(jié)果。

歐姆定律告訴我們，RLOAD = 65 Ω 時(shí)的負(fù)載電流約為 74 mA——您可以根據(jù)需要通過(guò)仿真來(lái)確認(rèn)這一點(diǎn)。因此，我們得出結(jié)論，如果總負(fù)載電流小于 74 mA，電荷泵將能夠?yàn)橄嚓P(guān)組件維持足夠的負(fù)電源電壓。

總而言之，我們檢查了 LTspice 開(kāi)關(guān)電容器電荷泵的一些有趣細(xì)節(jié)，注意到該電路不是穩(wěn)壓器，并使用步進(jìn)仿真來(lái)確定負(fù)載電流能力。在下一篇文章中，我們將仔細(xì)研究輸出紋波。