三種負電壓電源設計方案

在電子設備中，負電壓電源的應用非常廣泛，特別是在模擬電路、通信系統和信號處理等領域中。設計負電壓電源系統時，我們需要考慮多種方案來滿足不同的需求。本文將詳細探討三種常見的負電壓電源設計方案：使用反向變壓器的傳統方案、使用DC-DC轉換器的現代方案、以及使用專用負電壓轉換芯片的方案。

一、使用反向變壓器的傳統負電壓電源設計方案

1. 反向變壓器基本原理

使用反向變壓器設計負電壓電源是一種傳統且簡單的方案。這種方案通常應用在需要較高電流負電壓的場景，尤其是在一些老舊的電子設備中，仍然使用此方案進行設計。該方案的核心組件是變壓器。

反向變壓器設計的基本思路是通過變壓器的原副繞組的電壓極性反轉來獲得負電壓。例如，原副繞組分別設計為正負電壓的二次側，通過適當的整流、濾波電路，得到所需要的負電壓。

2. 設計過程

設計一個基于反向變壓器的負電壓電源時，首先需要確定負電壓的幅度和輸出電流。變壓器的選擇要根據負電壓幅度、輸入電壓以及所需輸出功率來確定。此外，變壓器的工作頻率、磁芯材料以及繞組的數量和線徑都會影響最終電源性能。

反向變壓器電路通常包括以下幾個部分：

• 變壓器：負責電壓轉換，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。

• 電壓調節器：使用低壓差線性穩壓器或開關穩壓器調節輸出電壓。

3. 主控芯片的作用

在傳統的反向變壓器電源設計中，主控芯片的作用主要集中在對電源的監控和控制。一般來說，主控芯片可以使用一些低功耗的微控制器（MCU）或專用集成電路（IC）來實現對電壓和電流的檢測和調節。例如，常用的微控制器型號如STM32F103系列或ATmega328P等都可以用于此類設計。

例如，STM32F103C8T6系列微控制器是一款常見的32位MCU，它可以用來監控電壓，并通過PWM控制變壓器的輸出。該芯片具有多種模擬輸入，能夠實時獲取電壓信息并進行控制，確保電源輸出穩定。

二、使用DC-DC轉換器的負電壓電源設計方案

1. DC-DC轉換器的基本原理

使用DC-DC轉換器是一種現代化的負電壓電源設計方案。DC-DC轉換器能夠高效地將正電壓轉換為負電壓，尤其在電源效率和體積要求較高的場合，這種方案變得更加普遍。

DC-DC轉換器工作原理基于開關模式電源（SMPS）技術，通過控制開關元件（如MOSFET）來調節電流和電壓，從而實現電壓的升壓、降壓或反轉。為了獲得負電壓，DC-DC轉換器通常采用反轉型電路。

2. 設計過程

DC-DC轉換器的設計涉及以下幾個主要步驟：

• 選擇適當的轉換器拓撲結構：如反向升降壓（Inverting Buck-Boost）拓撲或負電壓降壓（Buck）拓撲。反向升降壓拓撲在負電壓設計中尤為常見。

• 選擇合適的主控芯片：設計DC-DC轉換器時，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電壓轉換，并且在負載變化時維持穩定輸出。

• 濾波和保護電路：設計時需確保電路有良好的濾波和過壓保護，防止高頻噪聲對其他電路的干擾。

例如，LM2577是一款常用的DC-DC轉換器芯片，具有寬輸入電壓范圍（通常為4V至40V），并能夠提供高達-15V的負電壓輸出。其內置的開關控制電路使得設計簡化，同時還包括了過流、過溫等保護功能。

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節輸出電壓，還需要處理開關頻率、反饋環路等問題。芯片通常會使用PWM（脈寬調制）控制器來控制開關元件（如MOSFET），以穩定輸出電壓。

例如，LM2665芯片用于負電壓轉換時，其工作原理基于反向降壓原理，在輸出端產生負電壓。該芯片具有較高的效率和較小的體積，廣泛應用于低功耗便攜設備。

三、使用專用負電壓轉換芯片的負電壓電源設計方案

1. 專用負電壓轉換芯片的基本原理

近年來，隨著集成電路技術的發展，許多負電壓轉換芯片應運而生。這些芯片專門用于提供負電壓輸出，通常具有非常高的效率，并且設計簡單，適合用于高頻和高效能的應用場合。

負電壓轉換芯片的工作原理通常包括通過電感、電容和開關元件的配合，進行負電壓的穩壓和轉換。常見的負電壓轉換芯片包括 ICL7660、MAX232、LT1931等。

2. 設計過程

在使用專用負電壓轉換芯片時，設計過程相對簡化。選擇芯片時，主要考慮以下幾個因素：

• 輸入輸出電壓范圍：根據電源輸入的電壓來選擇適當的轉換芯片。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：盡管負電壓轉換芯片集成了基本的濾波功能，但為了更好地抑制噪聲，仍然需要增加適當的外部濾波電容。

3. 主控芯片的作用

在使用專用負電壓轉換芯片的設計中，主控芯片的作用通常是提供必要的控制信號或監控功能。很多應用場景下，主控芯片不再直接參與電源轉換過程，而是作為系統的管理和調度芯片。例如，使用 ATmega328P 或 STM32F103 這樣的微控制器來實時監控負電壓電源的狀態，確保系統的穩定運行。

結論

通過本文對三種負電壓電源設計方案的探討，可以看出，不同的應用場景對負電壓電源設計有著不同的要求。從傳統的反向變壓器方案到現代的DC-DC轉換器方案，再到使用專用負電壓轉換芯片的方案，每種方案都有其獨特的優點和應用領域。選擇適合的方案可以幫助設計人員更高效地實現系統的需求，同時降低開發和維護的復雜性。

在選擇主控芯片時，常見的微控制器和集成電路，如STM32F103、ATmega328P、LM2577等，都可以根據設計的需求來提供精準的電壓控制和電源管理功能。