在電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，負(fù)電壓電路是一個(gè)關(guān)鍵且復(fù)雜的部分。本文將系統(tǒng)且深入地闡述負(fù)電壓電路產(chǎn)生的原理、應(yīng)用價(jià)值，并詳細(xì)介紹兩種常用的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。這兩種方案均能成功實(shí)現(xiàn) 5V 轉(zhuǎn) - 5V 輸出，其中電荷泵方案紋波更小，DCDC 方案承載能力更強(qiáng)，為不同需求場(chǎng)景提供了明確的選型依據(jù)。通過(guò)原理 - 方案 - 實(shí)測(cè)的全鏈路解析，為負(fù)電壓電路設(shè)計(jì)提供極具可復(fù)用性的技術(shù)指南。
在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，負(fù)電壓的應(yīng)用場(chǎng)景十分常見(jiàn)，例如運(yùn)放電路。那么，究竟什么是負(fù)電壓？其產(chǎn)生原理又是什么呢？接下來(lái)將為大家一一解答，同時(shí)還設(shè)計(jì)了兩款負(fù)電壓電路，方便大家在實(shí)際應(yīng)用中使用。大家也可參考得捷 B 站的相關(guān)視頻 “負(fù)電壓是怎么來(lái)的？2 個(gè)經(jīng)典負(fù)電壓電路詳解”，點(diǎn)擊 “閱讀原文” 即可觀看。

什么是負(fù)電壓

電壓是衡量?jī)牲c(diǎn)之間電勢(shì)差的物理量。當(dāng)提及某一點(diǎn)的電壓是 “+ 5V” 或 “ - 5V” 時(shí)，必須明確這是相對(duì)于哪個(gè)參考點(diǎn)而言的。這個(gè)參考點(diǎn)通常被稱(chēng)為 “地” 或 “0V”，它可以是一個(gè)公共接地點(diǎn)、電源的負(fù)極，也可以是電路中任意選定的一點(diǎn)作為參考基準(zhǔn)。
如果一個(gè)點(diǎn)相對(duì)于參考點(diǎn)的電位更低，那么該點(diǎn)的電壓就是負(fù)的。以一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)的 1.5V 電池為例，如果定義電池的負(fù)極為參考點(diǎn)（0V），那么正極相對(duì)于負(fù)極就是 + 1.5V；若定義電池的正極為參考點(diǎn)（0V），那么負(fù)極相對(duì)于正極就是 - 1.5V。電池電壓本身并未改變，兩極之間始終保持 1.5V 的電位差，但參考點(diǎn)的選擇決定了每個(gè)點(diǎn)電壓的正負(fù)。

負(fù)電壓的應(yīng)用場(chǎng)景

負(fù)電壓在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中都發(fā)揮著重要作用。在放大器電路方面，如信號(hào)調(diào)理模塊、傳感器接口電路等運(yùn)放電路，以及一些精密儀器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備中的生物電信號(hào)處理，運(yùn)算放大器需要對(duì)稱(chēng)的正負(fù)電源，以確保信號(hào)能在零電平上下波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高精度放大或?yàn)V波。
通信系統(tǒng)中，RS - 232 接口使用 - 3V ~ - 15V 表示邏輯 “1”， + 3V ~ + 15V 表示邏輯 “0”，這樣的正負(fù)電壓差遠(yuǎn)大于噪聲干擾，增強(qiáng)了長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的抗干擾能力。
音頻設(shè)備里，高保真功放、音響系統(tǒng)中常見(jiàn)的 B 類(lèi)音頻放大器，需要正負(fù)電源驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)晶體管，以消除交越失真。
航空航天設(shè)備方面，飛行器舵機(jī)控制器、傳感器模塊中的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或處理傳感器信號(hào)時(shí)需要負(fù)電壓供電，以確保系統(tǒng)的抗干擾能力。
測(cè)量?jī)x器，如示波器、信號(hào)發(fā)生器、頻譜儀等，使用負(fù)電壓為模擬前端（AFE）和高精度 ADC 提供雙極性電源，保證信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍和線性度。此外，顯示設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、功率電子器件驅(qū)動(dòng)等也都需要負(fù)電壓。

負(fù)電壓是如何產(chǎn)生的

負(fù)電壓產(chǎn)生的本質(zhì)是通過(guò)儲(chǔ)能元件（電容或電感）改變參考點(diǎn)的電位。其核心原理主要有兩種：

• 電荷泵原理：利用電容電壓極性翻轉(zhuǎn)特性，將正電壓 “搬移” 為負(fù)電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，為減小二極管的壓降影響，可選用壓降較低的肖特基二極管。電荷泵的輸出電壓依賴(lài)輸出電容所儲(chǔ)存的能量，所以一般不用于大電流電路，常用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輔助電壓輸出。
• 反極性 Buck - Boost 拓?fù)洌和ㄟ^(guò)開(kāi)關(guān)控制電感電流方向，實(shí)現(xiàn)電壓極性反轉(zhuǎn)。電源控制器通過(guò)控制 mos 管的 G 極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)管的通斷。當(dāng) mos 管閉合導(dǎo)通時(shí)，電感充電；關(guān)斷時(shí)，電感給電容充電并為負(fù)載供電，通過(guò)不斷控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)與關(guān)，使輸出持續(xù)為負(fù)電壓。

負(fù)電壓電路實(shí)測(cè)

在介紹了兩種最基本的負(fù)電壓電路原理后，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)負(fù)電壓電路進(jìn)行實(shí)測(cè)。

• 電荷泵方案：采用 TI 的 TPS60403 電荷泵電壓反相器芯片。這類(lèi)集成式芯片具有電壓精度高、紋波小且體積小的優(yōu)點(diǎn)。除了 TPS60403，還有 TI 的 LM27762、ADI 的 LTC3265、MAX1673 等芯片可供選擇。TPS60403 通過(guò)內(nèi)部開(kāi)關(guān)周期翻轉(zhuǎn)外部電容器連接實(shí)現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)，無(wú)需電感器，支持 1.6V 至 5.5V 寬輸入范圍，兼容多種電池或穩(wěn)壓電源，最大輸出電流 60mA，典型轉(zhuǎn)換效率 > 90%，固定 250kHz 開(kāi)關(guān)頻率降低了噪聲設(shè)計(jì)復(fù)雜度，僅需 3 個(gè) 1μF 外部電容器（推薦 X5R/X7R 陶瓷電容）就可構(gòu)建完整逆變電路。設(shè)置輸入電源為 + 5V，實(shí)測(cè)輸出電壓為 - 5V。
• DCDC 方案：選用經(jīng)典的 DCDC 轉(zhuǎn)換器 TPS5430。它本質(zhì)是降壓型 DC - DC 轉(zhuǎn)換器，通過(guò)反向升降壓拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)負(fù)電壓輸出，只需對(duì)其電路接地端進(jìn)行調(diào)整，將原 GND 引腳改為負(fù)壓輸出端（ - Vout），原 VOUT 引腳接地。當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感充電，負(fù)載由輸出電容供電；開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，電感給電容充電并為負(fù)載供電，輸出持續(xù)為負(fù)電壓。由于 TPS5430 是降壓型 DC - DC 轉(zhuǎn)換器，使用時(shí)要求輸入電壓的絕對(duì)值大于輸出電壓的絕對(duì)值，設(shè)置輸入電源為 + 5.5V，實(shí)測(cè)輸出電壓為 - 5V。
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