隨著電子技術(shù)的提高以及電子產(chǎn)品的發(fā)展，一些系統(tǒng)中經(jīng)常會需要負(fù)電壓為其供電。但你知道為什么有些測試設(shè)備選用負(fù)電壓測試，而有些設(shè)備要選用負(fù)電壓供電嗎？例如，在LCD背光系統(tǒng)中，會使用負(fù)電壓提供門級驅(qū)動和偏置電壓；另外，在系統(tǒng)的運(yùn)算放大器中使用正負(fù)對稱的偏置電壓為其供電；第三，我們看到很多通信設(shè)備也使用-48V這樣的負(fù)電源系統(tǒng)... ...

首先，使用負(fù)電壓測試原理或是負(fù)電壓供電，可以避免設(shè)備在測試或使用過程中因電子積聚而產(chǎn)生大電流損壞測試設(shè)備和電子部件。

因?yàn)殡娮邮菐ж?fù)電荷的，它會向正電壓方向（高電位端）流動，電子的流動也就形成為電流。

使用負(fù)電壓時(shí)，過多的電子因?yàn)樨?fù)電荷的緣故，會聚集到負(fù)電壓的高電平端，也就是設(shè)備電源的接地端，而不會聚集在測試設(shè)備上。這樣一來，設(shè)備因電子聚集而產(chǎn)生電流燒壞設(shè)備的機(jī)率就大大降低，設(shè)備的穩(wěn)定性能就相應(yīng)有所提高，設(shè)備的穩(wěn)定性，直接決定了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量的精確一致度。

其次，根據(jù)物理學(xué)上電磁場的特性，使用負(fù)電壓可以在一定程度上避免電磁方面的干擾，這對于系統(tǒng)測試微安級或是更小級別的電信號時(shí)是有有益幫助的，能夠提高系統(tǒng)測試毫歐級的小電阻的精確度。而對于使用負(fù)電壓供電的設(shè)備，則可以提高設(shè)備的抗電磁干擾能力。

第三，根據(jù)電工學(xué)知識，我們知道，相較于正電壓，負(fù)電壓對人體和電子產(chǎn)品的安全性能也好于正電壓。

任何事物，都有其兩面性，我們并不能因?yàn)樗心承┓矫娴膬?yōu)點(diǎn)，就說它是完美的，同樣的，負(fù)電壓也不例外。相較于正電壓，負(fù)電壓的不足亦很明顯。

簡單來說，由于我們現(xiàn)實(shí)中使用的電壓大多都是正電壓，這樣，產(chǎn)生不同量級的正電壓，相對于負(fù)電壓來說，則要容易的多，所花費(fèi)的成本也要低的多。

如何產(chǎn)生負(fù)電壓？

各位工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)，可能會遇到需要負(fù)電壓供電的系統(tǒng)，比如使用負(fù)電壓為IGBT提供關(guān)斷負(fù)電壓、運(yùn)放系統(tǒng)中用正負(fù)對稱的偏置電壓供電。那么，該如何產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定可靠的負(fù)電壓呢？以下這幾種方法僅供參考：

一是，電荷泵提供負(fù)壓。TTL電平/232電平轉(zhuǎn)換芯片（如MAX232、MAX3391等）是最典型的電荷泵器件，可以輸出較低功率的負(fù)壓。但有些LCD要求-24V的負(fù)偏壓，則需要另外想辦法。可用一片max232為LCD模塊提供負(fù)偏壓。

TTL-in接高電平，RS232-out串一個(gè)10K的電位器接到LCM的VEE。這樣不但可以顯示，而且對比度也可調(diào)。?MAX232是＋5V供電的雙路RS-232驅(qū)動器，芯片的內(nèi)部還包含了+5V及±10V的兩個(gè)電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)高壓電荷泵需要較多的開關(guān)，用分離元件實(shí)現(xiàn)起來就有點(diǎn)困難了，不如用電感來得簡單。

一般來說，1個(gè)三極管或MOSFET，1個(gè)比較器或通用運(yùn)放（做PWM振蕩），1個(gè)電感，1個(gè)肖基特二極管和若干阻容元件就可以搞定。如果你的MCU自身帶有PWM接口，且軟件允許的話，那就更簡單了。

二是，反相器提供負(fù)壓。反相器的輸出接一個(gè)電容C1，C1的另一端接二極管D1的正極和二極管D2的負(fù)極，D1的負(fù)極接地，D2的負(fù)極接電容C2，C2的另一端接地。C2的容量要大于C1。

例如，C1用0.1μF，C2用?0.47μF，當(dāng)然最佳數(shù)值可由試驗(yàn)確定。反相器的輸入端加一個(gè)方波，其幅值應(yīng)該能使反相器正常工作，那么在反相器的輸出端就出現(xiàn)一個(gè)相位相反的方波。電容C2上就會出現(xiàn)一個(gè)負(fù)電壓，理論上比電源電壓低0.7V,然后再穩(wěn)壓到-5V。

三是，負(fù)壓電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生負(fù)壓。MAX749是一個(gè)專門用來產(chǎn)生負(fù)電壓的電源轉(zhuǎn)換器。?MAX749為倒相式PFM開關(guān)穩(wěn)壓，輸入電壓+2V至+6V，輸出電壓可達(dá)-100V以上，可通過內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)節(jié)，或者通過一個(gè)PWM信號或電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。MAX749采用一種電流控制方法，既減小了靜態(tài)電流消耗，又提高了轉(zhuǎn)換效率。關(guān)斷方式下,靜態(tài)電流僅為15mA。MAX749在關(guān)斷方式下仍保持DAC的設(shè)定值，從而簡化了軟件控制。

使用MAX749產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，應(yīng)注意外圍元件的選擇，這里特別說明幾點(diǎn)：

?晶體管：可以用PNP晶體管或P溝道MOSFET。前者經(jīng)濟(jì)，使用簡單；后者能提供更大電流，且轉(zhuǎn)換效率較高，但往往需要較高的輸入電壓（通常要求?+5V或?+5V以上）。如使用2SC8550三極管，可以提供較大的輸出電流。

? RSENSE：RSENSE是一個(gè)微阻值的檢測電阻，可以用一小段康銅絲代替，但不能直接用0Ω電阻短路。RSENSE的大小與輸出電流成反比關(guān)系，因此可根據(jù)電流需要確定RSENSE的最大值，但為了保證轉(zhuǎn)換效率,不宜取得過小。一般在輸出電壓為-24V的情況下，要求輸出電流為0.5A左右時(shí),?可取RSENSE=0.25Ω，輸出電流為0.8A左右時(shí)，可取RSENSE=0.2Ω。

?RBASE?：RBASE應(yīng)足夠小以保證晶體管能處在飽和狀態(tài),但RBASE太小又降低了轉(zhuǎn)換效率,通常在160Ω~470Ω之間取值。

?另外，電感L的感值在22-l00mH之間，通常取47mH，為提高效率，電感的內(nèi)阻要小，最好在300mΩ以下；二極管可用IN5817-IN5822系列快恢復(fù)二極管；CCOMP取決于RFB及電路布局,通常在100pF-l0nF之間取值。

四是，專用DC/DC電壓反轉(zhuǎn)器提供負(fù)壓。ME7660是一種DC/DC電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器，采用AL柵?CMOS工藝設(shè)計(jì)。該芯片能將輸入范圍為+1.5V至+10V的電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的-1.5V至-10V的輸出，并且只需外接兩只低損耗電容,無需電感。芯片的振蕩器額定頻率為10KHZ，應(yīng)用于低輸入電流情況時(shí)，可于振蕩器與地之間外接一電容，從而以低于10KHZ的振蕩頻率正常工作。

ME7660轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)如下：?轉(zhuǎn)換邏輯電源+5V為±5V雙相電壓；?輸入工作電壓范圍廣：1.5V-10V；?電源轉(zhuǎn)換效率高：98%;??低功耗：靜態(tài)電流為90μA（輸入5V時(shí)）；? ME7660轉(zhuǎn)換器多用于LCD、接口轉(zhuǎn)換器及儀表等場合。

五是，輸出正電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生負(fù)壓。除了上述方法之外，也可用一些輸出正電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生負(fù)壓，比如降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器LM2596等，只需以GND為參考鎖住反向調(diào)節(jié)器，在輸出參考等方面稍作改變就可以了。由于GND端不是接地而是接到負(fù)輸出電壓端上，所以需要相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換裝置，比如光藕或三極管。總而言之，負(fù)電壓設(shè)計(jì)方案多種多樣，哪一個(gè)方案更適合你的設(shè)計(jì)，還要綜合考慮不同應(yīng)用、不同技術(shù)要求而定。

為什么通信設(shè)備使用-48V這樣的負(fù)電源系統(tǒng)

使用-48V電源是歷史原因造成的。使用最早的通訊網(wǎng)是電話網(wǎng)，話機(jī)是由電訊局供電的，選48V是在當(dāng)時(shí)的條件下盡可能提高用戶到端局的距離（36V是安全電壓，超過太多不安全）。后來為了兼容早期設(shè)備、降低成本考慮，局端通訊設(shè)備還是用-48V電源。

同樣，采用負(fù)電源系統(tǒng)，正極接地只是約定俗成。原來有個(gè)說法是空氣中有大量的負(fù)電荷，根據(jù)電化學(xué)知識，正極接地可以吸附空氣中的負(fù)離子，從而保護(hù)電信設(shè)備的外殼不被銹蝕。其實(shí)這種說法不是很對。原電池反應(yīng)和電解反應(yīng)是會導(dǎo)致設(shè)備生銹，但是因?yàn)樗鼈冊谠O(shè)備上是以微觀形式存在的，幾乎沒有影響。

例如非通訊系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)都是負(fù)極接地（例如您正在使用的計(jì)算機(jī)），但是并沒有生銹。并且-48V內(nèi)部都通過DC/DC隔離，DC/DC輸出的就是負(fù)極接地，也沒有看到單板腐蝕生銹。所以不論哪個(gè)極接地，都是一樣的。

至于設(shè)備的外殼接地（接PGND），這是出于保護(hù)性的目的，將設(shè)備上累積的電荷快速瀉放到大地，從而不會損傷設(shè)備和工作人員。我們的產(chǎn)品基本上都是使用-48V電源系統(tǒng)，一般測到的實(shí)際電壓是–53.5V。

這是因?yàn)槌鲇诳煽靠紤]，通訊設(shè)備都帶有備用電池（-48v），為了保證電池的可靠充電，供電電壓需要略高于電池電壓。通過媒介可能還會了解到有使用-24V電源系統(tǒng)的設(shè)備，這是現(xiàn)代一些內(nèi)部設(shè)備為設(shè)計(jì)方便而使用的。

一般測量到電源的輸出電壓26.8V。一般要求設(shè)備在電壓波動范圍±20%內(nèi)工作正常。對-48V系統(tǒng)設(shè)備就是要求工作電壓范圍-38.4V 57.6V，但是我們實(shí)際上一般要求工作范圍–36V -72V。主要是考慮-48V系統(tǒng)設(shè)備要兼容–60V電源系統(tǒng)，它要求–48 -72V。這樣取合集就是就是要求工作電壓范圍約-36V -72V。

順便提一下，-48V電源系統(tǒng)只是我國和大部分國家采用的通信電源標(biāo)準(zhǔn)， 并非所有國家都使用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，例如俄羅斯會使用-60V的電源系統(tǒng)，還有某些國家使用-24V的電源系統(tǒng)。

如果產(chǎn)品要在這些地區(qū)銷售，就要兼顧這些不同的標(biāo)準(zhǔn)。市電的標(biāo)準(zhǔn)在世界范圍內(nèi)也是不同的，例如我國和歐洲等采用220V的市電系統(tǒng)，美國、日本等是110V的市電。

正極接地主要是為了防止電極的腐蝕。電話局蓄電池組-48V或-24V是正極接地，其原因是減少由于繼電器或電纜金屬外皮絕緣不良時(shí)產(chǎn)生的電蝕作用，使繼電器和電纜金屬外皮受到損壞。因?yàn)樵陔娢g時(shí)，金屬離子在化學(xué)反應(yīng)下是由正極向負(fù)極移動的。繼電器線圈和鐵芯之間的絕緣不良，就有小電流流過，電池組負(fù)極接地時(shí)，線圈的導(dǎo)線有可能蝕斷。

反之，如電池組正極接地，雖然鐵芯也會受到電蝕，但線圈的導(dǎo)線不會腐蝕，鐵芯的質(zhì)量較大，不會招致可察覺的后果。正極接地也可以使外線電纜的芯線在絕緣不良時(shí)免受腐蝕。（注：隱含條件是繼電器鐵芯接地）

**如何為單極負(fù)電源增加高效的正供電軌

**有時(shí)候您需要正電源，但大部分可用的供電軌（或僅有的可用供電軌）提供的都是負(fù)電源。事實(shí)上，負(fù)到正電壓轉(zhuǎn)換已用于汽車電子，以及各種音頻放大器、工業(yè)和測試設(shè)備的偏置電路中。雖然在許多系統(tǒng)中是電源通過相對于地的負(fù)供電軌分配，但這些系統(tǒng)中的邏輯板、ADC、DAC、傳感器和類似器件仍然需要一個(gè)或多個(gè)正供電軌。這里介紹一種簡單高效且組件數(shù)量少的電路，用于從負(fù)供電軌生成正電壓。

電路描述和電驅(qū)動系統(tǒng)功能

圖1顯示將負(fù)電壓高效轉(zhuǎn)化為正電壓的完整解決方案。這種特定的解決方案使用升壓拓?fù)洹ｋ婒?qū)動系統(tǒng)包括開關(guān)MOSFET、底部Q1、頂部Q2、電感L1和輸入/輸出濾波器。同步高效升壓控制器IC通過改變電驅(qū)動系統(tǒng)中開關(guān)MOSFET的狀態(tài)來調(diào)節(jié)輸出電壓。為了描述這種電路，將系統(tǒng)接地(SYS_GND)用作極性參考，得到一個(gè)相對于SYS_GND為負(fù)的輸入供電軌(–VIN)和一個(gè)相對于SYS_GND為正的輸出供電軌(+VOUT)。

轉(zhuǎn)換器的工作方式如下。如果晶體管Q1開啟，電流從SYS_GND流向負(fù)供電軌。晶體管Q2關(guān)閉，電感L1將電能存儲在其磁場中。在開關(guān)周期的剩余時(shí)間里，Q1關(guān)閉，Q2開啟，電流開始從SYS_GND流向+VOUT供電軌，將L1電能釋放給負(fù)載。

圖1.負(fù)正轉(zhuǎn)換器電氣原理圖，VIN為–6 V至–18 V（峰值為–24 V），6 A時(shí)VOUT為+12 V。

電驅(qū)動系統(tǒng)組件選擇的基本表達(dá)

圖2所示的開關(guān)行為拓?fù)潢P(guān)系圖描述了負(fù)正轉(zhuǎn)換器的行為。在開關(guān)周期的首個(gè)區(qū)間，在占空比定義的時(shí)長內(nèi)，底部開關(guān)BSW短路，頂部開關(guān)TSW斷開。電感電壓L等于–VIN。在此區(qū)間內(nèi)，電感L中的電流增加，在電感兩端生成電壓極性匹配–VIN。與此同時(shí)，輸出濾波器電容放電，為系統(tǒng)負(fù)載提供電流。

圖2.負(fù)到正轉(zhuǎn)換器拓?fù)潢P(guān)系圖。

在周期的第二個(gè)區(qū)間，兩個(gè)開關(guān)切換，BSW斷開，TSW短路。電感L的極性改變，電感開始向負(fù)載和輸出濾波電容器COUT提供（在周期的第一個(gè)區(qū)間內(nèi)儲存的）電流。在這段周期內(nèi)，電感的電流相應(yīng)降低。電感的伏秒平衡定義轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式下的占空比D。

計(jì)算時(shí)序和組件應(yīng)力

以下是描述時(shí)序和電驅(qū)動系統(tǒng)組件應(yīng)力的公式。

占空比決定開關(guān)的開/關(guān)時(shí)間

輸入電流IOUT的平均值就是輸入電流

電感電流的峰值

開關(guān)MOSFET上的電壓應(yīng)力

通過底部MOSFET的平均電流

通過頂部MOSFET的平均電流

這些表達(dá)公式可以幫助您理解拓?fù)涞墓δ埽⒊醪竭x擇電驅(qū)動系統(tǒng)組件。關(guān)于最終選擇和詳細(xì)的設(shè)計(jì)，請使用LTspice?建模和模擬工具。1

轉(zhuǎn)換器控制描述和功能

輸出電壓檢測和控制電壓的電平轉(zhuǎn)換通過由PNP晶體管Q3和Q4形成的電流鏡管控。反饋電流IFB在此電路中為1 mA）決定反饋回路中的電阻值。

其中VC為誤差放大器的基準(zhǔn)電壓。

其中RFB(T)為輸出電壓檢測電阻。

圖1所示的反饋電路是一種低成本解決方案，但分立式晶體管的容差可能會受基極發(fā)射極電壓和溫度變化差值影響。為了提高精度，可以使用配對的晶體管。

轉(zhuǎn)換器電驅(qū)動系統(tǒng)由LTC7804升壓控制器管控。之所以選擇該芯片，是因?yàn)樗С?a target="_blank">同步整流，易于實(shí)現(xiàn)，可以提供高開關(guān)頻率操作（如果需要小尺寸電感）和低靜態(tài)電流，因而具有高效率。

測試結(jié)果和拓?fù)湎拗?/strong>