有些應用，如雙端傳感器和音頻放大器，需要負電壓才能工作。由于當今系統板的空間有限，創建專用的負電源軌將增加PCB的成本和空間。因此，從系統中現有的正電源軌產生所需的負電壓是有意義的。

德州儀器（TI）在題為“使用同步降壓穩壓器創建反相電源”的應用筆記中提供了一種使用傳統同步降壓穩壓器的解決方案 1。它向您展示了如何從正輸入電壓向同步降壓穩壓器產生負電壓。

在介紹設計之前，作者討論了使用同步拓撲與非同步電路的優勢使用同步設計的一個主要好處是在低電壓下具有更高的轉換效率。同樣，即使在非常低的電流下，同步拓撲也保持連續導通模式（CCM），而不是非同步拓撲進入非連續導通模式（DCM）當通過電源電感的電流減小到零時.DCM模式下非同步拓撲的一些其他缺點是慢瞬態響應，以及DCM shif的慢補償噸。此外，它還需要電路板上的其他組件。使用同步拓撲可以消除這些缺點。

負轉換器解決方案

為了從正軌產生反相電源，工程師必須遵守一些設計限制。如表1所示，最大允許輸出電壓受IC上輸入引腳和接地（GND）引腳之間器件VDEV上的最大電壓減去最大輸入電壓VIN（max）的限制。由于MOSFET是IC的內部，因此最大負載電流不能超過通過內部開關的最大電流。

反相電源限制使用的同步器件TPS54620 Vin（min）》 Vdev（min）4.5 V Vin（最大值） ）+ Vout 表1：最低逆變器要求。

現在，要轉換同步降壓穩壓器（圖1）對于具有負輸出電壓的逆變器，TI建議將電感器和輸出電容器保持在與原始降壓轉換器電路相同的位置，但必須反轉接地和輸出電壓點以實現負輸出電壓，如圖2所示。

圖1：同步降壓穩壓器電路（由TI提供）。

圖2：負輸出電壓轉換器，其中地和電壓輸出Vout反轉（由TI提供）。

事實上，TI通過使用其芯片TPS54620實現了上述技術，該芯片是屬于TI SWIFT系列的4.5V至17V輸入，6A同步降壓轉換器。表2中描述了該設計的關鍵電氣規格。雖然使用TI芯片的完整逆變器解決方案如圖3所示。

可變參數范圍/值Vin輸入電壓5 V標稱4.5 V至5.5 V Vout輸出電壓-5 V Vout輸出電壓紋波《0.5％Iout輸出電流2 A fsw開關頻率300 kHz

表2：逆變器的關鍵規格電路如圖3所示。

圖3：使用TI芯片TPS54620的逆變器解決方案（由TI提供）。

設計必須確保最小和最大輸入電壓符合上表1中列出的要求，而最大輸入電壓VIN（最大值）和輸出電壓Vout之間的差值不得超過調節器的最大操作裝置電壓。對于TPS54620，最大工作設備電壓VDEV（最大值）為17 V.

現在讓我們看兩個相關的公式：

（1）

（ 2）

此逆變器電路的VOUT為-5 V.因此，使用公式1，確定電源的最大輸入電壓可高達12 V.而最小輸入電壓VIN（min） ）對于逆變器電源必須大于最小器件電壓VDEV（min）。對于TPS54620，VDEV（最小值）為4.5 V.因此，如圖2所示，4.5至5.5 V的輸入范圍很容易得到圖3中基于TPS54620的逆變器電路的支持。

另外，使用公式在圖2中，可以針對期望的輸出電壓計算R4。在此示例中，R5設置為等于10kΩ，VREF設置為0.8 V.因此，使用等式2，然后計算R4為52.5kΩ。建議使用標準值52.3kΩ。

TI應用筆記還向您展示了如何計算該逆變器電路的其他參數，例如占空比，輸出電流，工作頻率，電感值，輸出和輸入電容以及功耗。同樣，新一代凌力爾特公司的高壓同步降壓轉換器，如LT3845，可以為各種應用實現正負轉換器。 Linear的設計說明433標題為“正負電壓轉換器可用于穩定輸出，即使輸入變化很大” 2 描述了一個設計實例顯示如何從正輸入到同步降壓控制器LT3854產生負電壓。在此示例中，同步控制器將9至15 V寬輸入轉換為-12 V，輸出為30 A.

電荷泵逆變器

電荷泵提供簡單的無電感DC/DC轉換器解決方案，可以升壓，降壓或反轉輸入電壓，適用于各種低功耗，低成本應用。通過消除電感，這些基于開關電容的轉換器提供了緊湊的簡單設計，用于將正輸入轉換為負輸出。

Maxim Integrated提供各種電荷泵，可為多種應用產生正輸入負電壓。供應商的應用筆記782 3 說明了使用MAX1681的負電壓逆變器。

Maxim提供的另一個應用筆記（3659 4 ）提供了一個電荷泵轉換器電路，無負載時產生-10 V電壓，電壓超過200 mA 5V輸入。該電路中使用的電荷泵IC是MAX889，如圖4所示。它反轉輸入電壓，同時使得到的負輸出加倍。為此，它使用兩個肖特基二極管和輸出端的兩個電容來產生更高的輸出電壓，如圖所示。

圖4：電荷泵IC MAX889反轉正輸入電壓，同時使產生的負輸出加倍（由Maxim提供）。

總結

對于某些只有正電源的應用，系統必須產生負電壓（有時甚至比正電壓軌的幅度更大）。本文討論了如何使用開關穩壓器（降壓）或電荷泵來創建負電源。示意圖與方程式一起呈現，以便設計人員可以確定滿足其自身要求的最佳解決方案。引用的應用筆記還包括樣本設計實現以及捕獲的波形。