非常見問題第213期：產(chǎn)生負(fù)電壓——為什么需要在降壓-升壓電路中進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換

問題：

為什么需要電平轉(zhuǎn)換？

答案：

反相降壓-升壓電路通常用于從正電壓產(chǎn)生負(fù)電源電壓。最重要的一步是確保正確產(chǎn)生負(fù)電壓。但是，如果電源由主應(yīng)用電路控制或監(jiān)控，則可能還需要電平轉(zhuǎn)換電路。該電路以地為基準(zhǔn)，而反相降壓-升壓電源電路的GND引腳連接到所產(chǎn)生的負(fù)電壓。

簡介

反相降壓-升壓電路產(chǎn)生的負(fù)電壓幅度可以高于或低于可用正電壓的幅度。例如，從+12 V可以生成-8 V，甚至-14 V。當(dāng)使用具有反相降壓-升壓電路的開關(guān)穩(wěn)壓器IC時(shí)，系統(tǒng)可能需要設(shè)計(jì)通信引腳。如果確實(shí)需要，設(shè)計(jì)人員必須進(jìn)行充分的電平轉(zhuǎn)換，以便可以利用同步和使能信號(hào)。

設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路的注意事項(xiàng)

反相降壓-升壓拓?fù)涫腔鹃_關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)渲?，只需要一個(gè)電感、兩個(gè)電容和兩個(gè)MOSFET開關(guān)。其中的開關(guān)可由任意降壓穩(wěn)壓器或控制器驅(qū)動(dòng)。因此，可供使用的開關(guān)穩(wěn)壓器構(gòu)建模塊有很多。圖1顯示了具備所有必要元件的反相拓?fù)洹?

圖1.利用降壓開關(guān)穩(wěn)壓器生成負(fù)電壓的反相降壓-升壓拓?fù)?

圖2顯示了帶有ADP2386降壓穩(wěn)壓器的降壓-升壓電路。如果反相電路使用了降壓穩(wěn)壓器IC，則該IC的接地連接需連接到生成負(fù)電壓的地方。降壓穩(wěn)壓器的原始輸出電壓連接到系統(tǒng)地。而因?yàn)檩敵鲭妷哼B接到系統(tǒng)地，所以反相拓?fù)渲薪祲悍€(wěn)壓器自身的地以生成的負(fù)電壓為基準(zhǔn)。IC的基準(zhǔn)電壓地（圖2中的GND）未連接到系統(tǒng)地。因此，這兩個(gè)地的電位不同。開關(guān)穩(wěn)壓器IC接地將成為所生成的負(fù)電壓。開關(guān)穩(wěn)壓器IC上的所有引腳現(xiàn)在都以所生成的負(fù)電壓為基準(zhǔn)，而不是以系統(tǒng)地為基準(zhǔn)。因此，從系統(tǒng)到IC或從IC到系統(tǒng)的通信線路和連接需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以保障安全通信并防止損壞。通常，相關(guān)信號(hào)為SYNC、PGOOD、TRACKING、MODE、EN、UVLO和RESET。圖2顯示了電平轉(zhuǎn)換電路的一個(gè)示例，使用了兩個(gè)雙極性晶體管和七個(gè)電阻（藍(lán)色）來產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)。該電路需占用一定的空間，并且增加了電路的復(fù)雜性和成本。前面提到的所有信號(hào)均必須單獨(dú)部署這種電平轉(zhuǎn)換器。當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓器IC使用了電源管理總線(PMBus®)等數(shù)字總線時(shí)，情況將更為復(fù)雜。此時(shí)，整個(gè)總線連接必須采用電平轉(zhuǎn)換或電氣隔離才能運(yùn)行。

圖2.外部電平轉(zhuǎn)換器用于為開關(guān)穩(wěn)壓器IC供電，使用外部時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步

專為反相電壓設(shè)計(jì)的開關(guān)穩(wěn)壓器IC免去了對(duì)這種外部電路的使用需求。ADI公司根據(jù)降壓穩(wěn)壓器IC設(shè)計(jì)了一系列開關(guān)穩(wěn)壓器IC，旨在為系統(tǒng)（即整個(gè)電子電路）和反相開關(guān)穩(wěn)壓器IC之間的通信提供便利。電路不需要使用如圖2所示的外部電平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

圖3.MAX17579設(shè)計(jì)為反相降壓-升壓穩(wěn)壓器，其中已集成電平轉(zhuǎn)換功能

圖3所示為MAX17579開關(guān)穩(wěn)壓器IC，可以從正電壓產(chǎn)生負(fù)電壓。顯而易見的是，圖3所示電路比圖2要緊湊得多。

LTspice®或EE-SIM®設(shè)計(jì)與評(píng)估環(huán)境等仿真工具，可以幫助用戶更好地了解反相拓?fù)渲械姆€(wěn)壓行為和潛在的電位差。這些工具還可以用來設(shè)計(jì)和優(yōu)化電平轉(zhuǎn)換電路。MAX17579之類的IC也可以利用EE-SIM設(shè)計(jì)工具輕松實(shí)現(xiàn)仿真。