電源管理：負(fù)電壓輸出電源設(shè)計(jì)及典型應(yīng)用

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(huì)需要負(fù)電壓為其供電。例如，在LCD背光系統(tǒng)中，會(huì)使用負(fù)電壓為其提供門極驅(qū)動(dòng)和偏置電壓。另外，在系統(tǒng)的運(yùn)算放大器中，也經(jīng)常會(huì)使用正負(fù)對(duì)稱的偏置電壓為其供電。如何產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定可靠的負(fù)電壓已成為設(shè)計(jì)人員面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。

BCD公司開(kāi)發(fā)出多款可實(shí)現(xiàn)負(fù)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(kāi)關(guān)管及反饋網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)，這兩款芯片不同的帶載能力可滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

AP3012 實(shí)現(xiàn)正負(fù)電壓輸出的典型應(yīng)用方案

基于AP3012 的正負(fù)電壓方案在4.3~10 寸的LCD 顯示屏系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。應(yīng)用電路圖如 圖1 所示。

圖1、 AP3012 實(shí)現(xiàn)正負(fù)不對(duì)稱輸出的典型應(yīng)用方案。

在此應(yīng)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(zhǔn)電壓。而 15V 和-10V 是通過(guò)幾級(jí)電荷泵電路的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)。此方案可以通過(guò)調(diào)整電荷泵電路的級(jí)數(shù)來(lái)改變 輸出電壓。結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單而且使用相當(dāng)靈活。

由于AP3012 的集成度較高（集成了開(kāi)關(guān)管及反饋網(wǎng)絡(luò)）的特點(diǎn)，減少了系統(tǒng)的外圍器件數(shù) 目，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。所以，AP3012 的應(yīng)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(shí)現(xiàn)負(fù)電壓輸出的典型應(yīng)用

隨著系統(tǒng)應(yīng)用的不斷升級(jí)，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(yīng)用中，需要為大量的運(yùn)算放大器提供正負(fù)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(gè)很好的選擇。因?yàn)锳P3031 有著較強(qiáng)的帶載能力，所以它 被廣泛的應(yīng)用。

由于AP3031 經(jīng)常被應(yīng)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(fù)偏置電壓。圖2 是使用AP3031 實(shí)現(xiàn)-5V 輸出的應(yīng)用電路。

圖2、 AP3031 實(shí)現(xiàn)-5V 輸出的典型應(yīng)用電路。

AP3031 采用Cuk 電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓輸出。圖6 是Cuk 電路的時(shí)序圖。

圖3、 Cuk 電路的時(shí)序圖。

這個(gè)表達(dá)式說(shuō)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(yīng)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(dá)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(jiàn)下列表達(dá)式：

從上面的三個(gè)表達(dá)式可以看出，與Buck 和Boost 電路不同，Cuk 電路工作時(shí)，開(kāi)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(kāi)關(guān)管和二極管時(shí)，輸入輸出電 壓要同時(shí)兼顧。

在反饋方面，由于輸出為負(fù)電壓，所以采用了反向放大器，將所采樣到的輸出的負(fù)電壓信號(hào) 經(jīng)過(guò)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(shí)現(xiàn)負(fù)電壓輸出芯片的典型應(yīng)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(dá)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(shí)現(xiàn)較高的工作效率。AP3406A 可以通過(guò)搭建Buck/Boost 電 路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓輸出。圖5 是AP3406A 實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓輸出的典型應(yīng)用方案。

Buck/Boost 的占空比表達(dá)式：

該應(yīng)用方案與AP3031 的方案相比，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，需要的器件更少（省去了一個(gè)電感和反向 放大器），從而更進(jìn)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(shì)。

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(yàn)證，結(jié)果可行，并且已經(jīng)被客戶接受和 采用，是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且可靠的負(fù)電壓的高性價(jià)比方案。