使用MAX17291升压转换器IC从正输入电压产生负输出电压，具有有源放电特性

本应用笔记解释了如何使用MAX17291从正输入电压产生负电压，用于LCD显示器、栅极驱动器等应用。它还包括有关实现主动放电功能的信息。

介绍

许多应用需要电源提供负电压，例如LCD显示器、栅极驱动器、嵌入式应用、运算放大器电路等。本应用笔记说明如何使用MAX17291升压转换器IC从正输入电压产生负输出电压。

MAX17291为低静态升压DC-DC转换器，具有1A峰值电感电流限值和真关断™.真关断将输出与输入断开，无正向或反向电流。输出电压由一个外部电阻分压器设定。MAX17291 IC可以工作在1.8V至5.5V输入电源，输出高达20V。

特征

来自输入端的 28μA 静态电源电流

输出短路保护

过热保护

CCM 中的恒定频率

真正的关断模式

91% 峰值效率

1.8V至5.5V输入范围

5.5V至20V输出电压范围

1A 峰值电感器电流限制

多种封装选项

1.27mm x 0.87mm，6 凸块 （3 x 2），0.4mm 间距 WLP

2 毫米 x 2 毫米，8 引脚 TDFN

-40°C 至 +125°C 工作温度范围

性能

图1.MAX17291效率与负载电流的关系（V外= 12V）。

应用电路

图2.采用MAX12的17291V升压转换器。

MAX17291升压转换器IC的工作原理

升压转换器电路采用MAX1 IC提供8.5V至5.12V输入和17291V输出电压，如图2所示。MAX17291升压转换器具有两种工作模式：轻负载效率和脉宽调制（PWM）。在轻负载模式下，该器件以脉冲频率调制 （PFM） 工作，以提高轻负载时的效率。在这种模式下，导通时间由500mA的峰值电感电流限值决定。一旦电感电流达到其限值，导通时间终止，功率二极管正向偏置。在PWM模式下，转换器在连续导通模式（CCM）的负载电流水平下使用准恒定的1.0MHz开关频率脉宽调制（PWM）。根据输入电压与输出电压之比，电路预测所需的关断时间。在CCM模式下，升压转换器的占空比由下式给出。

使用通用升压转换器的负电压

使用通用升压转换器产生负电压的电路如图3所示。如图所示，从升压转换器的开关节点使用电荷泵电路来产生所需的负电压。

图3.使用升压转换器的负电压示意图。

负电压电路的工作原理

对于上述电路，反馈来自升压转换器的输出，以保持负输出电压恒定。在稳态条件下，当开关Q1关断时，电感电压反转，Q1 FET两端的电压等于输入电压和电感电压。Q1开关两端的电压由下式确定。

VQ1= VIN+ VL= VOUT+ VD1

电流开始通过二极管D1从电感流向COUT1，通过R-CHG和二极管D2从电感流向C-CHG。电容器 COUT1 和 C_CHG 在此期间充电。C-CHG两端的电压由下式给出。

VOUT+ VD1= VR-CHG+ VC-CHG
VC-CHG= VOUT+ VD1- VRCHG- VD2

Q1关断状态下的电流如图4所示。

图4.Q1 OFF期间的电流。

在Q1关断时间结束时，当Q1导通时，Q1的漏极几乎被拉至地。二极管D2变为反向偏置，二极管D3变为正向偏置。一旦二极管D3正向偏置，电流开始通过R-CHG和二极管D2从COUT3电容流出。这似乎会导致电容器COUT2上相对于地的负电压。

COUT2两端的电压由下式给出。

-VCCHG+ V中新华集团= V库特2， wD3
V库特2= -VCCHG+ V中新华集团+ VD3

Q1导通状态下的电流如图5所示。

图5.电流在Q1导通时间内流动。

连接 R-CHG 电阻以限制通过 MOSFET Q1 和二极管 D2 和 D3 的峰值电流。在 1 之间选择？到 2.2？对于 R-CHG 电阻的值。如果R-CHG电阻值过高，则R-CHG两端的电压在较高负载时增加，从而降低C-CHG和COUT2两端的电压。如果R-CHG电阻值太低，则负电压在较低负载条件下增加，因为没有要控制的负电压检测。

使用MAX17291升压转换器IC产生负电压

设计规范

输入：2.5V 至 5.5V

输出电压：-11V

使用MAX17291 IC的优势

更小的解决方案尺寸，具有内部升压 MOSFET 和二极管（1.27mm x 0.87mm WLP 封装）

可实现宽范围的负输出电压

可在 1.8V 的较低输入电压下工作

MAX17291升压转换器IC具有内部升压MOSFET、二极管和控制电路。电荷泵电路连接到MAX17291 IC的LX开关节点，产生负电压。使用MAX17291 IC的负电压原理图如图6所示。

图6.使用MAX17291 IC产生负电压

所需的负输出电压是通过在升压的输出电压上设置反馈网络电路来实现的。因此，与正常正电压相比，图6原理图中的负载调节性能略有松动，因为电荷耦合通过电容C-CHG。MAX17291的开关工作基于输入电压和升压转换器的输出电压。在整个操作过程中必须保持稳定的输出电压。这是使用IC的OUT引脚和地上的虚拟电阻完成的。这将充当虚拟负载以保持正输出电压恒定，这可能会在一定程度上增加负电压的调节。

电路的负载调整率和效率性能如下图所示。

图7.负载调整率与输出电流的关系

图8.效率与输出电流的关系

2.5Vin 和 -11Vout 条件下的负载瞬态性能

图9.负载瞬态性能，无需运算放大器。

条件：Vin= 2.5V， Vout= -11V， Iout= 30mA 至 5mA

由于负载瞬变，电压变化约为~392mV （3.56%）。输出电压在波形中偏移 -10V。

波形：黄色 = Vin， 蓝色 = Vout， 粉红色 = V，绿色 = Iout

图10.负载瞬态性能，无需运算放大器。

条件：Vin= 2.5V， Vout= -11V， Iout= 30mA 至 5mA

由于负载瞬变，电压变化约为~370mV （3.36%）。输出电压在波形中偏移 -10V。

波形：黄色 = Vin， 蓝色 = Vout， 粉红色 = V，绿色 = Iout

改善负电压电路的负载调整率和瞬态性能

通过直接检测负输出电压，可以改善前一个电路的负电压负载调节和瞬态性能。然后使用Maxim的MAX44244AUK+运算放大器将反馈发送到IC，用于检测负电压。运算放大器的输出用于驱动FB引脚，该引脚针对负载和线路瞬变调节负输出电压。以下是使用运算放大器的负电压反馈原理图。

图 11.负电压反馈采用带运算放大器的MAX17291 IC

以下是使用运算放大器电路的负电压的负载调整率和瞬态性能的表示。

图 12.负载调整率与使用运算放大器电路的输出电流的关系

图 13.效率与输出电流的关系 使用运算放大器电路。

图 14.使用运算放大器电路的负载瞬态性能。

条件：Vin= 2.5V， Vout= -11V， Iout= 30mA 至 5mA

负载瞬态引起的电压变化约为~62mV （0.56%）。输出电压在波形中偏移 -10V。

波形：黄色 = Vin， 蓝色 = Vout， 粉红色 = V，绿色 = Iout

图 15.使用运算放大器电路的负载瞬态性能。

条件：Vin= 2.5V， Vout= -11V， Iout= 30mA 至 5mA

负载瞬态引起的电压变化约为~72mV （0.65%）。输出电压在波形中偏移 -10V。

波形：黄色 = Vin， 蓝色 = Vout， 粉红色 = V，绿色 = Iout

如图7–15所示，与不使用运算放大器的电路相比，使用运算放大器的负电压电路具有非常严格的调节和良好的瞬态性能。

性能比较

基于上述结果，带运算放大器的负电压解决方案具有良好的负载调节和效率性能。

图 16.负载调节性能比较。

图 17.效率性能比较。

主动放电功能的实现

在图11中，有源放电电路由电阻R13至R16、电容C11和P-MOS Q1组成。当使用EN引脚（EN = 0V）禁用IC时，电阻R15和R16变为并联，Q1的电压Vgs大于阈值电压。因此，MOSFET Q1 导通。有源放电功能拉动由COUT2电容累积的全部电荷，并转储到电阻R13中。负电压立即降低到较小的值。当IC使能时，栅极和源极两端的电压小于阈值，MOSFET Q1关断。放电电阻的值可以根据COUT2电容器所需的放电时间进行选择。

主动放电的操作如下图所示。

图 18.主动放电功能。

结论

负输出电压由MAX17291 IC的正输入电压产生。用户可以通过增加运算放大器电路并在负输出电压电路中实现有源放电功能来改善负输出电压的负载调整率和瞬态性能。

审核编辑：郭婷