電容器：負(fù)電壓發(fā)生器

首先，讓我們從我能想到的簡(jiǎn)單的負(fù)電壓產(chǎn)生電路之一開始，它由一個(gè)脈沖電壓源、一個(gè)電容器和一個(gè)電阻組成。這個(gè)電路可以在下面的圖 1 中看到。

圖 1.帶有脈沖電壓源、電容器和電阻器的負(fù)電壓生成電路示例。

該電路的瞬態(tài)仿真產(chǎn)生了一個(gè)具有熟悉模式的波形（圖 2）；如果您曾在電子實(shí)驗(yàn)室花過一些時(shí)間試驗(yàn)電路，您可能已經(jīng)見過類似的東西。

圖 2.來自圖 1 的瞬態(tài)仿真的示例波形。

顯然，我們產(chǎn)生了負(fù)電壓。我不會(huì)將其稱為負(fù)電壓電源，因?yàn)樵撾娐窡o法產(chǎn)生穩(wěn)定的負(fù)電壓來為其他組件供電；然而，該模擬表明負(fù)電壓并非僅由復(fù)雜電路產(chǎn)生的奇異現(xiàn)象。

考慮到這一點(diǎn)，這里到底發(fā)生了什么？讓我們來看看。

當(dāng)電源電壓從 0 V 轉(zhuǎn)變?yōu)?5 V 時(shí)，電容器的左側(cè)也轉(zhuǎn)變?yōu)?5 V；正源極端子和電容器的左側(cè)端子實(shí)際上是相同的節(jié)點(diǎn)，因此它們必須具有完全相同的電壓。圖中標(biāo)記為 V（load） 的電容器右側(cè)端子的電壓跟蹤電源電壓的上升沿，因?yàn)殡娙萜鲗?duì)快速變化的電壓幾乎是“透明的”。請(qǐng)注意，正如All About Circuits 教科書所解釋的那樣，通過電容器的電流與電壓變化率成正比。

當(dāng)電源電壓穩(wěn)定在 5 V 時(shí)，電容器充電。電容器現(xiàn)在的功能類似于開路，這意味著它會(huì)阻止本來由電源電壓提供的電流，并開始通過電阻器放電。當(dāng)電源電壓轉(zhuǎn)換回 0 V 時(shí)，電容器部分放電，這就是事情變得有趣的地方。

電源電壓從 5 V 躍升至 0 V，但電容器兩端的電壓不能瞬間改變——電容器需要時(shí)間來釋放其存儲(chǔ)的電荷。由于電容器的左側(cè)端子與電源的正極端子具有相同的電壓，因此電容器的右側(cè)端子必須快速降低 5 V，以使電容器兩端的電壓保持不變。如果電容器的右側(cè)端子為 1.5 V 并且必須降低 5 V，則只有一個(gè)地方可以去：進(jìn)入負(fù)電壓區(qū)域。

正如我在前面提到的文章中解釋的那樣，正電壓和負(fù)電壓都為電流提供能量，但對(duì)于負(fù)電壓，電流從零電壓參考節(jié)點(diǎn)流入負(fù)電壓節(jié)點(diǎn)。如果我們向圖中添加電流跡線，我們可以在仿真中看到這種行為（圖 3）。

圖 3.顯示添加了電流跡線的仿真圖。

在圖 3 中，請(qǐng)注意負(fù)載電壓為負(fù)時(shí)電流如何為負(fù)。負(fù)電流并不意味著電荷通過導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)“小于零”。它只是意味著電流的方向與參考方向相反。在此仿真中，向下流過電阻器的電流被定義為正電流，由于負(fù) V（load） 導(dǎo)致電流從接地節(jié)點(diǎn)流出，然后向上流過電阻器，LTspice 將電流識(shí)別為負(fù)電流。

電容器和開關(guān)：負(fù)電壓電源

借助一些壓控開關(guān)和一個(gè)額外的電容器，我們可以將電容器轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生穩(wěn)定電壓并為其他組件供電的負(fù)電壓發(fā)生器。考慮下面圖 4 中所示的電路；這是開關(guān)電容逆變器的 LTspice 版本。

圖 4. LTspice 版本的開關(guān)電容器逆變器圖。

圖 5 顯示了一個(gè)更簡(jiǎn)化的示意圖示例。

圖 5.使用開關(guān)電容器拓?fù)渖煞聪螂娫措妷旱?IC 簡(jiǎn)化示意圖示例。圖片由Analog Devices提供

基本思想是，我們將電容器 （C1） 充電至輸入電壓 （V IN ），將充電的電容器與輸入源斷開，然后將充電的電容器連接至第二個(gè)電容器 （C2），從而使較高電壓端C1 的接地端子與 C2 的接地端子配對(duì)。這種開關(guān)技術(shù)迫使 C2 另一端的電壓相對(duì)于地降低 V IN伏特。因此，輸出電壓轉(zhuǎn)移到負(fù)電壓區(qū)域。

或許您能理解為什么這種電路也稱為電荷泵。我們將電荷從輸入電源泵送到一個(gè)電容器，然后泵送到第二個(gè)電容器，其端子以反轉(zhuǎn)電壓的方式連接。泵送動(dòng)作由 控制開關(guān)的方波控制。

簡(jiǎn)化示意圖中顯示的數(shù)字逆變器確保 S1 和 S3 導(dǎo)通，而 S2 和 S4 關(guān)閉，反之亦然。在我的 LTspice 電路中，兩個(gè)壓控開關(guān)由同一個(gè)方波控制。我通過定義兩個(gè)不同的 SW 模型來簡(jiǎn)單地施加適當(dāng)?shù)拈_/關(guān)關(guān)系：

SW1 在“開”狀態(tài)下具有低電阻，在“關(guān)”狀態(tài)下具有高電阻

SW2 在“開”狀態(tài)下具有高電阻，在“關(guān)”狀態(tài)下具有低電阻

下面是 LTspice 原理圖中標(biāo)記為 INVERTED 的輸出電壓圖。

圖 6.輸出電壓圖，在 LTspice 原理圖中標(biāo)記為 INVERTED。

如果我們放大，我們可以在圖 7 中看到電路需要一點(diǎn)時(shí)間來將其一路抽至負(fù) V IN。

圖 7.電路仿真圖的放大版本。

使用 LTspice 了解負(fù)電壓

我希望這些模擬能幫助您更多地了解什么是負(fù)電壓，以及普通元件如何導(dǎo)致電壓偏移到“地”以下，即低于電路的參考電壓。我計(jì)劃在以后的文章中進(jìn)一步探討 LTspice 開關(guān)電容器逆變器的設(shè)計(jì)和性能。