【導(dǎo)讀】穩(wěn)定的電源電壓是電路設(shè)計(jì)的核心。電源轉(zhuǎn)換器作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心器件，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇往往與具體電壓需求緊密相關(guān)——降壓與升壓轉(zhuǎn)換器已在各領(lǐng)域形成成熟應(yīng)用，成為電路設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)配置。然而，當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)景延伸至需要正負(fù)電壓切換的領(lǐng)域，如傳感器信號(hào)處理、MOSFET柵極控制及電信系統(tǒng)供電時(shí)，傳統(tǒng)拓?fù)浔汶y以滿(mǎn)足需求。本文梳理了從正電壓生成負(fù)電壓、從負(fù)電壓生成正電壓的實(shí)現(xiàn)方案，為從事電路設(shè)計(jì)與電源開(kāi)發(fā)的技術(shù)人員提供了技術(shù)參考。

電源轉(zhuǎn)換器常用于從現(xiàn)有電壓軌為電路生成穩(wěn)定的電源電壓。在大多數(shù)應(yīng)用中，電壓通過(guò)降壓轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器降低。但有時(shí)候，電壓需要升高，而這通常利用升壓型轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。降壓和升壓這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用于許多領(lǐng)域。

然而，有時(shí)電壓需要反相。在大多數(shù)情況下，需要將正電源電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓。這是為了給信號(hào)路徑中的傳感器供電，使其能夠處理具有正負(fù)電壓偏轉(zhuǎn)的信號(hào)。例如，+5V和-5V用作運(yùn)算放大器的電源，以處理信號(hào)電壓。某些應(yīng)用需要負(fù)電壓來(lái)安全關(guān)斷MOSFET的柵極。要從現(xiàn)有正電壓產(chǎn)生負(fù)電壓，圖1所示的反相拓?fù)涫呛线m的方案。其中，正電壓被轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓。這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要變壓器，可以利用標(biāo)準(zhǔn)降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC構(gòu)建。降壓型穩(wěn)壓器的輸出電壓連接至系統(tǒng)接地端，GND引腳電壓產(chǎn)生負(fù)電壓，該負(fù)電壓可通過(guò)電阻分壓器Rfb1和Rfb2進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖1.從正電壓產(chǎn)生負(fù)電壓的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器

除了這種應(yīng)用之外，有時(shí)還需要將負(fù)電壓轉(zhuǎn)換為正電壓。一種常見(jiàn)應(yīng)用是在電信領(lǐng)域，其中必須將-48 V轉(zhuǎn)換為+48 V。此外，在工業(yè)領(lǐng)域也有應(yīng)用。針對(duì)這一需求，確實(shí)存在一種不需要變壓器的高效解決方案。圖2展示了一種反相升壓轉(zhuǎn)換器，它能從負(fù)電壓產(chǎn)生正電壓。它需要的不是降壓型穩(wěn)壓器，而是升壓型穩(wěn)壓器IC。電源電平必須以適當(dāng)?shù)姆绞皆O(shè)計(jì)，使得開(kāi)關(guān)的相應(yīng)體二極管沿正確的方向?qū)ā?/p>

圖2.從負(fù)電壓產(chǎn)生正電壓的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器

為了高效地將負(fù)電壓轉(zhuǎn)換為正電壓并實(shí)現(xiàn)多種特性，需要額外的元器件。例如，不同的設(shè)置引腳需要電平轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)或時(shí)鐘同步等功能。這些引腳上允許的電壓范圍取決于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC的GND引腳，即負(fù)輸入電壓。

圖3.LTC7899電路的LTspice電路圖

為了在較高功率下也能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的切換，可以使用專(zhuān)用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC來(lái)有效完成從負(fù)電壓到正電壓的轉(zhuǎn)換。LTC7899就是這樣的IC。它是一款開(kāi)關(guān)電源升壓轉(zhuǎn)換器控制器，專(zhuān)為將負(fù)電壓轉(zhuǎn)換為正電壓而設(shè)計(jì)。它使用外部開(kāi)關(guān)，而且同步工作，并在輸入和輸出之間提供高達(dá)135 V的極寬電壓范圍。圖3顯示了仿真程序LTspice?中的LTC7899反相電路實(shí)現(xiàn)方案，用戶(hù)可借助該軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真分析。

總結(jié)

本文所探討的兩種反相轉(zhuǎn)換方案，分別針對(duì)正轉(zhuǎn)負(fù)、負(fù)轉(zhuǎn)正的核心需求，既提供了無(wú)需變壓器、基于標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓器IC的簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn)路徑，降低了基礎(chǔ)應(yīng)用的設(shè)計(jì)門(mén)檻，也介紹了如LTC7899這類(lèi)專(zhuān)用IC的解決方案，攻克了高功率、寬電壓范圍下的轉(zhuǎn)換難題。這些技術(shù)方案的價(jià)值不僅在于滿(mǎn)足傳感器、運(yùn)算放大器、電信設(shè)備等特定場(chǎng)景的供電需求，更體現(xiàn)了電源設(shè)計(jì)中“高效、簡(jiǎn)潔、適配性強(qiáng)”的核心原則。隨著電路系統(tǒng)向高集成度、高功率密度方向發(fā)展，正負(fù)電壓反相轉(zhuǎn)換技術(shù)將面臨更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，而專(zhuān)用IC的迭代與仿真工具的深度應(yīng)用，必將為這一領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供更有力的支撐，推動(dòng)電源轉(zhuǎn)換技術(shù)在更廣泛的場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)突破。