使用异步降压开关稳压芯片产生负电压的方法

以下文章来源于飞多学堂，作者飞多学堂

电路中，很多地方需要负电压。本文介绍如何使用异步降压开关稳压芯片（Asynchronous Buck/Step-Down Switching Regulator）产生负电压的方法。

电感产生负电压的原理

反相升降压（Inverting Buck-Boost）电路。它利用了电感“电流不能突变”的特性，像一个抽水机一样，把电荷从输出端“抽”向地，从而产生负电压。

Inverting Buck-Boost电路

我们可以分两个阶段来拆解这个过程：

阶段一：开关 S1 闭合（储能阶段）

回路：电流从 VIN (5V) 流出，经过开关 S1，直接流向电感 L1，最后回到系统地（GND）。

电感状态：此时电感 L1 两端的电压为上正下负。电感开始“充能”，电流线性上升，能量以磁场的形式存储在 L1 中。

二极管状态：由于 SW 点的电位是 5V，而输出端 VOUT 此时是负压（或 0V），二极管 D1 处于反向截止状态，输入端的电流不会流向输出端。

开关闭合电感储能

阶段二：开关 S1 断开（放电/产生负压阶段）

物理特性：当 S1 突然断开，电感 L1 为了维持电流方向不变（电流必须继续向下流向地），它会瞬间改变自身的电压极性。

极性翻转：此时电感 L1 变成了一个“电池”，它的上端（SW点）变成了负电位。

回路：为了维持电流，它必须从外界“吸”电流。由于 S1 断开，电流只能从 VOUT 经过二极管 D1 抽过来。

路径：VOUT → D1 → L1 → GND。

结果：电流从输出电容 C1 的上极板被“抽走”，导致 VOUT 上的电荷减少，电位持续下降，最终跌破 0V 变成负电压。

开关断开电感抽真空

Buck降压典型电路

可将降压型稳压芯片配置为反相降压-升压（Inverting Buck-Boost）拓扑结构，使输出电压相对于地为负值。

学习产生负压前先看下异步降压型开关稳压芯片典型电路。

异步降压型开关稳压芯片典型电路

什么是“异步”？

在开关稳压电路中，通常有两个“开关”。

同步（Synchronous）：内部集成两个 MOSFET 轮流导通。

异步（Asynchronous）：内部只有一个高压侧开关管（上管），而在低压侧使用一个外部二极管（D1）进行续流。上图中的1N5817 肖特基二极管就是这个“异步”组件。

异步降压电路的工作就像是一个不断开关的水龙头和一个小水桶（电感）。

Buck芯片内部的开关管充当开关

图a是开关导通阶段，图b是开挂断开阶段。

第一阶段：开关导通（ON）

路径：芯片 LT1616 内部的开关管闭合，电流从VIN流向SW引脚，经过L1，流向VOUT和负载。

储能：电流流过电感 L1 时，电感会产生磁场储存能量。

二极管状态：此时 SW 点电压接近 VIN（5V），二极管 D1 处于反向截止状态，不工作。

第二阶段：开关断开（OFF）

惯性续流：内部开关断开，VIN 被切断。但电感 L1 具有“电流不能突变”的特性，它会产生一个感应电动势来维持电流继续流动。

回路：电流会从GND出发，穿过二极管 D1，流过L1补充给输出端。

二极管作用：此时 D1 导通，充当了电流回归的“单向阀门”。这就是“异步续流”过程。

也可以把 L1、C1 理解为 LC 滤波电路。

输出电压和输入电压的关系如下：

输入和输出的关系

其中，D 是占空比。

Buck电路产生负电压

将异步 Buck 降压典型电路做如下改动，可以使之产生负电压：

对调电感和二极管

把芯片的 GND 接到输出 VOUT 上

对调电感和二极管

对于上面两个改动，也有一些学者将其描述为对调输出 VOUT 和 芯片 GND:

对调VOUT和GND

其实，上面两个电路是一样的。

使用异步降压（Buck）芯片产生负电压，其核心原理是将标准的Buck 拓扑巧妙地重构成反相升降压（Inverting Buck-Boost）拓扑。

工作过程分为两个阶段：

阶段一：内部开关导通（储能阶段）

路径：芯片内部开关管闭合，电流从流入，通过 SW 引脚进入电感，最后流向系统地。

能量转换：此时电感两端电压为上正下负。电流线性上升，电感以磁场形式储存能量。

二极管状态：此时 SW 点为高电平，二极管处于反向截止状态。

阶段二：内部开关断开（放电/抽电阶段）

电流续流：当开关断开时，由于电感电流不能突变，电感会产生感应电动势以维持原方向的电流（向地流动）。

极性翻转：为了维持电流，电感上端的电位（SW 点）会瞬间被拉低，跌破 0V 变成负电位。

回路形成：电流迫使二极管导通。此时，电感从输出电容中“抽走”电荷。

路径：。

结果：由于电荷被持续抽向地，输出端对地形成负电压。

输出电压和输入电压的关系如下：

输出电压和输入电压的关系

芯片如何实现自我管理？

在负电压这种接法下，芯片被“欺骗”了，但它依然能稳定工作：

工作电源：芯片看到的输入电压不再是，而是 ****（因为芯片 GND 接在上）。例如，输入 5V，输出 -5V，芯片实际承受的压力是 10V。

反馈控制：反馈电阻接在系统地与 FB 之间，接在 FB 与芯片 GND（即）之间。芯片通过维持 FB 引脚相对于其自身 GND 引脚的电压稳定，从而实现了对负输出电压的精确调节。

关键设计注意事项

耐压极限：选择芯片时，必须确保其额定最大电压大于，否则芯片会烧毁。

输入输出不共地：输入电源的地（Vin）和系统基准地（GND）不再是同一点。

电容极性：如果使用电解电容，务必检查 VOUT 滤波电容的极性方向。

电流能力：在负压模式下，电感平均电流为输入电流与负载电流之和，这比普通降压模式要大，需选用饱和电流更高的电感。

异步优势：使用如 LT1616 这样的异步芯片（带外部续流二极管）在改负压时非常方便，因为外部二极管的极性可以自由调整。

总结

拓扑演变：通过将异步 Buck 芯片的 GND 和输出端V OUT 对调，可以将Buck（降压）结构重构为Inverting Buck-Boost（反相升降压）。

能量守恒：

开关导通时：电感 L1 向系统地储能，此时输出端由电容供电。

开关断开时：电感产生反向感应电动势，通过二极管从 VOUT “抽走”电荷流向地，从而在 VOUT 形成负电位。

设计核心：

芯片 GND 悬浮：芯片的参考电位变为了负电压，因此输入耐压必须满足。

异步优势：异步芯片外接的续流二极管方便极性对调，是实现该电路最简便的选择。