負電壓輸出電源設計及典型應用方案分析

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)常會需要負電壓為其供電。例如，在LCD背光系統(tǒng)中，會使用負電壓為其提供門極驅(qū)動和偏置電壓。另外，在系統(tǒng)的運算放大器中，也經(jīng)常會使用正負對稱的偏置電壓為其供電。如何產(chǎn)生一個穩(wěn)定可靠的負電壓已成為設計人員面臨的關(guān)鍵問題。

BCD公司開發(fā)出多款可實現(xiàn)負壓輸出的芯片，其中AP3012和AP3031是比較常用的兩款。AP3012 和 AP3031 均為電流型控制的PWM芯片，這兩款芯片將開關(guān)管及反饋網(wǎng)絡集成在芯片內(nèi)部，集成度較高，在一定程度上減少了外圍器件、節(jié)約了系統(tǒng)成本并節(jié)省了使用空間。此外，AP3031 的帶載能力要比AP3012強，這兩款芯片不同的帶載能力可滿足不同的應用場合。

AP3012 實現(xiàn)正負電壓輸出的典型應用方案

基于AP3012 的正負電壓方案在4.3~10 寸的LCD led/' target='_blank'>顯示屏系統(tǒng)中應用相當廣泛。應用電路圖如 圖1 所示。

圖1、 AP3012 實現(xiàn)正負不對稱輸出的典型應用方案。

在此應用方案中，AP3012 采用升壓電路結(jié)構(gòu)，為15V 和-10V 提供穩(wěn)定的5V 的基準電壓。而 15V 和-10V 是通過幾級電荷泵電路的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)。此方案可以通過調(diào)整電荷泵電路的級數(shù)來改變 輸出電壓。結(jié)構(gòu)非常簡單而且使用相當靈活。

由于AP3012 的集成度較高（集成了開關(guān)管及反饋網(wǎng)絡）的特點，減少了系統(tǒng)的外圍器件數(shù) 目，進一步提高了系統(tǒng)的實用性。所以，AP3012 的應用方案為系統(tǒng)的成本和尺寸的控制方面都提 供了很大的空間。

AP3031 實現(xiàn)負電壓輸出的典型應用

隨著系統(tǒng)應用的不斷升級，系統(tǒng)所需的供電電流也不斷增加，例如，在數(shù)據(jù)采集等方面的系 統(tǒng)應用中，需要為大量的運算放大器提供正負的偏置電壓。這樣，就需要有著更大帶載能力的電 源芯片為其供電。那么AP3031 就是一個很好的選擇。因為AP3031 有著較強的帶載能力，所以它 被廣泛的應用。

由于AP3031 經(jīng)常被應用在工作電流較大的系統(tǒng)中。為了降低供電損耗，AP3031 通常是提供 單路的正或負偏置電壓。圖2 是使用AP3031 實現(xiàn)-5V 輸出的應用電路。

圖2、 AP3031 實現(xiàn)-5V 輸出的典型應用電路。

AP3031 采用Cuk 電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)負電壓輸出。圖6 是Cuk 電路的時序圖。

圖3、 Cuk 電路的時序圖。

這個表達式說明了Cuk 電路的輸入電壓不受輸出電壓的限制，既可以大于輸出電壓，也可以 小于輸出電壓。使得輸入電壓的范圍可以很寬。大大提高了電路應用的靈活性。該方案的輸入電 壓范圍較寬(3V~16V),輸出的帶載能力可達300mA.

值得注意的是要求較高，由于Cuk 電路的結(jié)構(gòu)原因，決定了該電路在器件的耐壓方面要求較 高，見下列表達式：

從上面的三個表達式可以看出，與Buck 和Boost 電路不同，Cuk 電路工作時，開關(guān)管和二 極管上所承受的電壓，是輸入電壓和輸出電壓之和。所以在選擇開關(guān)管和二極管時，輸入輸出電 壓要同時兼顧。

在反饋方面，由于輸出為負電壓，所以采用了反向放大器，將所采樣到的輸出的負電壓信號 經(jīng)過反向后，輸入到芯片的反饋端。

圖4、 反向放大器的結(jié)構(gòu)圖.

其它實現(xiàn)負電壓輸出芯片的典型應用

如果系統(tǒng)的輸入，輸出電壓較低，且輸入范圍不寬，那么，BCD 的AP3406A 也是很好的選擇。 AP3406A 的輸入范圍是2.5V~5.5V, 最大輸出電流可達到800mA. 由于AP3406A 是一款電流型控制 的PWM 的同步整流芯片，所以它可以實現(xiàn)較高的工作效率。AP3406A 可以通過搭建Buck/Boost 電 路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)負電壓輸出。圖5 是AP3406A 實現(xiàn)負電壓輸出的典型應用方案。

該應用方案與AP3031 的方案相比，結(jié)構(gòu)更為簡單，需要的器件更少（省去了一個電感和反向 放大器），從而更進一步體現(xiàn)了使用的成本低，節(jié)約系統(tǒng)的空間的優(yōu)勢。

另外，該電路的在器件選擇的耐壓方面與Cuk 電路相同。

以上介紹的幾種方法已經(jīng)在Demo 板上得到了充分的驗證，結(jié)果可行，并且已經(jīng)被客戶接受和 采用，是實現(xiàn)穩(wěn)定且可靠的負電壓的高性價比方案。