一、負電壓發生器的定義

負電壓發生器，顧名思義，是一種能夠產生負電壓的電子設備。在電子電路中，電壓的極性對于電路的功能和性能具有重要影響。雖然大多數電子設備主要使用正電壓，但在某些特定應用中，如運算放大器供電、IGBT或MOSFET的門極驅動、以及通訊接口等，負電壓的存在是不可或缺的。負電壓發生器通過特定的電路設計和元件選擇，實現了將正電壓轉換為負電壓的功能。

二、負電壓發生器的工作原理

負電壓發生器的工作原理基于多種電路技術和元件的組合應用。以下是幾種常見的負電壓產生方式及其工作原理：

1、電荷泵（Charge Pump）方式

電荷泵是一種利用電容器充放電原理來產生負電壓的電路。其基本思想是通過控制開關的通斷，使電容器在輸入電壓的正半周期充電，在負半周期放電，從而在輸出端產生負電壓。電荷泵電路簡單、成本低廉，但輸出電流和電壓范圍有限，適用于對電壓和電流要求不高的場合。

2、開關電源（Switched-Mode Power Supply, SMPS）方式

開關電源利用電感器、電容器等儲能元件和開關器件（如MOSFET）的高頻開關動作，實現電壓的轉換和調節。在負電壓產生中，開關電源可以通過特定的電路拓撲（如Buck-Boost、Flyback等）將正電壓轉換為負電壓。開關電源具有效率高、輸出穩定、調節范圍寬等優點，是目前應用最廣泛的負電壓產生方式之一。

3、穩壓器（Regulator）方式

穩壓器是一種能夠保持輸出電壓穩定的電子設備。雖然傳統的線性穩壓器不能直接產生負電壓，但通過特定的電路設計（如使用反向連接的穩壓二極管或集成負電壓穩壓器芯片），可以實現負電壓的輸出。這種方式相對簡單，但效率較低，且需要額外的元件來產生負電壓。

4、集成負電壓發生器芯片

隨著集成電路技術的發展，出現了許多專門用于產生負電壓的集成芯片。這些芯片內部集成了電荷泵、開關電源或其他負電壓產生電路，并提供了穩定的輸出電壓和電流。使用集成負電壓發生器芯片可以簡化電路設計、提高可靠性并降低成本。

三、負電壓發生器的應用

負電壓發生器在電子電路設計中具有廣泛的應用，以下是一些典型的應用場景：

1、運算放大器供電

許多運算放大器需要雙極性電源供電（即正負電壓同時供電）。負電壓發生器可以為這些運算放大器提供所需的負電壓，從而確保其在整個工作范圍內都能正常工作。

2、IGBT或MOSFET的門極驅動

在電力電子領域，IGBT或MOSFET等功率半導體器件的門極驅動電路經常需要負電壓來確保器件的可靠關斷。負電壓發生器可以產生所需的負電壓，從而提高電路的可靠性和性能。

3、通訊接口

某些通訊接口（如RS232）需要負電壓來表示特定的信號狀態。負電壓發生器可以為這些接口提供所需的負電壓信號，從而確保通訊的正常進行。

4、自毀電路

在某些特殊應用中，如安全控制系統中的自毀電路，負電壓發生器可以用來產生足夠高的負電壓以摧毀目標芯片或電路。這種方式可以在特定條件下保護系統安全或防止信息泄露。

5、其他應用

除了上述應用場景外，負電壓發生器還可以用于其他需要負電壓供電的場合，如模擬電路中的偏置電壓產生、數字電路中的電平轉換等。

四、基于555定時器的負電壓發生器電路圖

1、使用 IC 555 的負電壓發生器電路圖

我們知道運算放大器、傳感器和一些信號調理電路需要負電壓作為偏置和參考電壓。添加用于獲得負電壓的硬件會增加電路的尺寸和成本。這是使用 IC 555通過負電壓發生器電路獲得它的簡單易行的方法。

當需要恒定的負電壓作為偏置時，可以使用負整流和負線性穩壓器或雙軌供電電路。在某些情況下，我們需要可變的負電壓作為微控制器、傳感器或信號調理電路的參考。在這種情況下，您可以使用這種類型的負電壓發生器，并且可以通過更改定時器 IC 555 輸出頻率來根據需要改變輸出電壓。

使用 IC 555 原型的負電壓發生器電路

該電路生成負電壓軌并利用單軌電源形成雙軌。

該電路的工作分為兩部分，一是振蕩器，二是通過電容器充電和放電。這里，二極管 D1、D2 (1N4007) 有助于允許和阻止來自電容器的變化電勢的流動。

正如您所發現的，該電路在非穩態多諧振蕩器模式下使用定時器 IC 555，并根據定時電阻器（R1、R2）和定時電容器 C1 值生成方波脈沖輸出。

上述電路中輸出脈沖頻率f為，

在這里，我們選擇了產生 -3.7V（負）輸出的元件。更改 R1、R2 和 C1 的值以獲得不同的輸出范圍，記住輸出電壓僅限于施加到定時器 IC 555 的最大 Vcc。

讓我們繼續討論工作細節，在方波脈沖輸出中將有正脈沖持續時間和“0”或接地脈沖持續時間。

當正脈沖持續時間出現在引腳 3（定時器 IC 555 的輸出）上時，電壓從 0 上升到半 Vcc，在此期間，電容器 C3 正極板充電，由于電容耦合，負極板也充電，當負極板C3 板達到 0.7V，然后二極管 D1 開始以正向偏置導通。因此，由于二極管 D1，C3 的正極板保持在 Vcc 的一半，負極板保持在 0.7V。

當“0”或接地脈沖出現時，電容器C3正極板突然從Vcc的一半下降到“0”，因此由于兩個板的電容耦合，將保持一半Vcc的電勢差。然后負極板下降到-Ve Half Vcc，由于反向偏壓，二極管 D1 無法導通，但 D2 由于正向偏壓而開始導通，C4 獲得負電勢電荷，平滑輸出電壓（負），此循環重復進行我們得到恒定的負電壓輸出。

每個電路都需要完美的偏置電源才能良好運行，有時集成電路或特殊組件或輸出執行器需要負電壓。主直流電源經過整流和調節后，我們無法立即產生負電源。在這篇原型文章中，負電壓發生器電路給出了簡化的物料清單，它可以輕松地用于任何電路原理圖。

2、使用IC 555的負電壓發生器電路圖

在進入負電壓發生器電路之前，首先我們應該了解負電壓以及負電壓周期與正弦波的分離。當正弦函數相對于時間移動時，它將有正循環和負循環。當我們使用二極管限幅器時，我們只能得到負周期或只能得到正周期。這里給出了負循環輸出的二極管電路示例。

在該電路中，二極管 D1 在正周期期間導通（0.7V 之后）并將信號接地，D2 處于關斷狀態。負周期時D2二極管導通信號并輸出??，但D1轉為截止狀態，順便說一下，每個正周期都接地，只有負周期才輸出。

使用定時器IC 555實現非穩態多諧振蕩器電路，然后使用二極管限幅器將輸出方波脈沖分離為負輸出。

該電路中信號振蕩器是無穩態多諧振蕩器，電壓轉換器是二極管限幅器。當我們向該電路施加偏壓時，IC 555通過pin3給出正負電平的方波輸出，當方波脈沖到達二極管限幅器時，正脈沖接地，負脈沖僅傳導到輸出，如二極管限幅器理論中提到的。

3、采用555定時器IC和二極管的負電壓發生器電路圖

當涉及低電流應用時，電子應用中通常需要負電壓。然而，獲得負供給源并不是一個可行的選擇。對于許多需要最小功率的電子電路，我們無法使用負電壓電源。可以從正電源產生負電壓的電路可用于參考或低功耗應用。因此，我們討論產生負電壓的電路。簡而言之，在本教程中，我們將制作一個“負電壓發生器電路”。

該電路采用555定時器IC和二極管作為主要元件。在深入研究負電壓發生器電路的制作之前，了解負電壓以及正弦波和負電壓周期之間的區別非常重要。當sin函數相對于時間運動時，它既有正循環又有負循環。當我們使用二極管限幅器時，我們可能會獲得負周期或僅正周期。

這是基本的負電壓發生器電路，可以在 9 伏的輸入電壓下工作。 555定時器IC用于產生負電壓。 IC 通電后將從其輸出引腳 3 產生方波。方波將在整個周期中產生正電壓和負電壓。當正電壓施加到IC的輸出引腳時，連接到其上的10uF電容器（C4）通過1N4002二極管D1充電，并且不向輸出提供正電壓。當存在負電壓時，該電容器通過另一個二極管 D2 放電，并且 3 C5 電容器充電，從而產生負電壓。

4、使用 555 定時器 IC 的負電壓發生器電路圖

在本教程中，我們將演示使用 555 定時器 IC 的負電壓發生器電路。大多數時候，我們需要負電壓來滿足電子領域的某些應用。當低電流應用需要時，使用負電源并不可靠。有一些商業選項，但它們通常很昂貴，或者在您需要時不容易獲得。因此，該電路可用作負電源，適用于所有實際用途。

該電路從正電源產生負電源。這是一個簡單的電路，可以輕松適應各種要求。我們使用最流行和最通用的 IC 之一，即 555 定時器 IC 和一些其他組件。

該電路簡單，可以在5-15伏的輸入電壓下工作。 555定時器IC用作負電壓發生器。接通電源后，IC 將從其輸出引腳（引腳 3）產生方波。方波的這個周期將產生正電壓和負電壓。當有正電壓時，連接在IC輸出引腳上的22uF電容器將通過1N4002二極管D1充電，并且沒有正電壓輸出。當存在負電壓時，該電容器通過其他二極管 D2 放電，33uF 電容器充電，輸出將提供 -3 伏至 -13 伏的負電壓。

5、基于555定時器IC的負電壓發生器電路圖

在本教程中，我們正在開發一個負電壓發生器項目，該項目易于制造并且需要一些低成本組件。在電子應用中，我們通常需要負電壓。然而，當需要低電流應用時，負電源并不是一個可靠的選擇。

對于許多需要低功耗的電子電路，我們不能采用負電壓電源。對于參考或低功率用途的應用，人們可能會選擇能夠從正電壓電源產生負電壓的電路。

為此，存在各種循環。在這里，構建了一個基本的負電壓發生器電路。該電路由555定時器IC電路構成。

上圖為負電壓發生器電路圖。這里的555定時器IC是一個ASTABLE振動器。可以修改電容器，使其為全負電壓。選擇應該完成。如果不選擇該能力，則無法達到輸出處的最佳負張力。

555 定時器 IC 用作方波發生器并產生方波，如前所述。正方形有一個正峰值，+0 是一個完整的循環。

當輸出端的電壓峰值為正時，現在將出現電流（紅線），如下圖所示。此時D1二極管優先選擇正向，D2二極管優先選擇反向。

因此，如圖所示，電容器C1被充滿，并且其上產生VCC電壓。

如果在正峰值后接地，電流（紅線）將繼續流動，如上圖所示。此時二極管D1反向偏置，二極管D2正向偏置。當 D2 發生故障時，C1 電容器中沉積的負載將有一種流動方式。因此，電容器C1通過D2放電，電容器C2被充電。該圖顯示了這一點。因此，在整個 0 V 信號期間，C2 電容器中將出現電壓。

如果接地受到影響，C2 上的電壓將為負。這樣對每個回路進行恒定的充電和上傳，并通過地輸出恒定的負電壓。

對于許多需要低功率的電子電路，我們不能使用負電壓電源。人們可以使用電路從正電壓源產生負電壓，用于參考或低功率應用。

五、相關知識

1、電壓極性

電壓的極性是指電壓的正負方向。在電路中，電壓的極性對于電路的工作狀態和性能具有重要影響。正電壓表示電流從高電位流向低電位；而負電壓則表示電流從低電位流向高電位。

2、電子元件

負電壓發生器的實現離不開各種電子元件的支持。常見的電子元件包括電容器、電感器、二極管、開關器件（如MOSFET）以及集成芯片等。這些元件在電路中扮演著不同的角色，共同實現了負電壓的產生和調節。

3、電路拓撲

電路拓撲是指電路中元件之間的連接方式。不同的電路拓撲可以實現不同的電路功能和性能。在負電壓發生器中，常見的電路拓撲包括Buck-Boost、Flyback等。這些電路拓撲通過特定的元件連接方式和控制策略，實現了正電壓到負電壓的轉換和調節。

4、能量轉換與存儲

負電壓發生器的核心在于能量的轉換與存儲。在電荷泵方式中，電容器作為儲能元件，在開關的控制下交替充放電，實現能量的轉換和負電壓的生成。而在開關電源方式中，電感器和電容器共同協作，通過高頻開關動作將輸入電壓的能量轉換為所需的負電壓輸出。這種能量轉換過程不僅要求高效，還需要確保輸出電壓的穩定性和精度。

5、穩定性與紋波

負電壓發生器的輸出穩定性是衡量其性能的重要指標之一。穩定性包括輸出電壓的波動范圍、溫度穩定性以及負載變化時的穩定性等。同時，紋波也是負電壓發生器輸出中需要關注的一個問題。紋波是指輸出電壓中疊加的交流成分，它會影響電路的工作性能和穩定性。因此，在設計和選擇負電壓發生器時，需要綜合考慮其穩定性指標和紋波特性。

6、效率與功耗

效率是負電壓發生器在工作過程中將輸入電能轉換為輸出電能的有效程度。高效率意味著更少的能量損失和更低的功耗。在開關電源方式中，由于采用了高頻開關技術和優化的電路拓撲，可以實現較高的效率。然而，在高效率的追求下，也需要注意到開關動作可能帶來的電磁干擾和噪聲問題。

7、保護電路

為了保護負電壓發生器免受損壞，通常會設計一些保護電路來監測和限制其工作狀態。例如，過流保護電路可以在輸出電流超過設定值時切斷電源；過壓保護電路則可以在輸出電壓過高時自動調整或切斷輸出；過熱保護電路則可以監測元件溫度并在必要時采取措施防止過熱損壞。這些保護電路對于提高負電壓發生器的可靠性和安全性具有重要意義。

六、負電壓發生器的設計考慮

在設計負電壓發生器時，需要考慮以下幾個方面的因素：

應用需求：首先需要明確負電壓發生器的應用場景和具體需求，包括輸出電壓的幅值、電流、穩定性、紋波等參數要求。這將有助于選擇合適的電路拓撲和元件。

成本與效益：在設計過程中需要綜合考慮成本和效益之間的關系。雖然高性能的負電壓發生器可以提供更好的性能表現，但也會帶來更高的成本。因此，需要根據實際需求權衡利弊，選擇性價比最優的方案。

可靠性與安全性：負電壓發生器作為電子設備的一部分，其可靠性和安全性對于整個系統的穩定運行具有重要意義。因此，在設計過程中需要注重元件的選擇和電路的布局布線等方面的問題，以確保設備的可靠性和安全性。

可擴展性與升級性：隨著技術的不斷發展和應用需求的變化，負電壓發生器可能需要進行升級或擴展。因此，在設計過程中需要考慮到這一點，為未來的升級和擴展預留一定的空間和接口。

七、結論

負電壓發生器作為一種重要的電子設備，在電子電路設計中具有廣泛的應用。通過不同的電路技術和元件組合應用，可以實現高效、穩定、可靠的負電壓輸出。在設計負電壓發生器時，需要綜合考慮應用需求、成本與效益、可靠性與安全性以及可擴展性與升級性等因素。隨著電子技術的不斷發展和創新，負電壓發生器也將不斷更新換代并呈現出更加智能化、多功能化的發展趨勢。未來，我們有理由相信負電壓發生器將在更多領域發揮其重要作用并為電子技術的發展做出更大的貢獻。