利用异步Buck芯片生成负电压：DC-DC转换与反相升降压电路设计指南

在许多电子电路设计中，我们常常需要用到负电压。例如，为运算放大器供电、驱动某些特殊的显示器件或是处理模拟信号时。正电压源很常见，但负电压从哪里来呢？今天我们就来探讨一种巧妙的方法：利用常见的异步降压（Buck）开关稳压芯片来产生稳定的负电压。

电感产生负电压的原理

这种方法的理论基础是 反相升降压（Inverting Buck-Boost） 电路。它的核心在于利用电感“电流不能突变”的物理特性，像一个电荷泵一样，把电荷从输出端不断地“抽”向系统地，从而建立起一个相对于地为负的电位。

下面这张图展示了反相升降压电路的基本结构：

我们可以把它的工作过程拆解为两个阶段来理解：

阶段一：开关 S1 闭合（储能阶段）

• 电流回路：电流从 VIN (例如5V) 正端流出，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。电流流过电感，使其开始“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：由于开关节点（SW）的电位接近输入电压（5V），而输出端 VOUT 此时电位为0或负值，二极管 D1 的阳极电位高于阴极，因此处于 反向截止 状态，输入端的电流不会流向输出端。

阶段二：开关 S1 断开（放电/产生负压阶段）

• 物理特性触发：当 S1 突然断开，流过电感 L1 的电流路径被切断。根据楞次定律，电感会竭力维持其电流大小和方向不变。
• 极性翻转：为了维持电流继续向下（流向地）流动，电感 L1 会产生一个感应电动势，其极性瞬间翻转。此时，电感的 上端（SW点）变成了负电位。
• 新回路形成：这个负电位迫使二极管 D1 从截止变为导通，为电感电流提供了新的泄放路径。
  • 具体路径：电流从输出电容 C1 的正极板（即VOUT点）流出，经过二极管 D1，再流过电感 L1，最终流向系统地（GND）。
• 最终结果：这个过程中，电流持续地将输出电容 C1 上的正电荷“抽走”并送至地。导致 VOUT 点的电位持续下降，最终稳定在一个 负电压 值。

标准异步Buck降压电路回顾

理解了反相升降压的原理后，我们再看如何“改造”一个标准的降压芯片。首先，我们需要了解一个典型的异步降压型开关稳压电路是什么样的。

什么是“异步”？
在开关电源中，“同步”和“异步”指的是续流方式的不同：

• 同步（Synchronous）：芯片内部集成了两个MOSFET（上管和下管），通过控制器让它们交替导通。
• 异步（Asynchronous）：芯片内部通常只集成高压侧开关管（上管），而在外部使用一个 二极管（如图中的D1） 来承担续流任务。图中的 1N5817 肖特基二极管就是这个“异步”组件，其正向压降低，能提高效率。

我们可以把异步Buck电路想象成一个快速开关的水龙头和一个蓄水池（电感）。

第一阶段：开关导通（ON）

• 路径：芯片内部的开关管闭合，电流从 VIN 流向 SW 引脚，经过 电感L1，流向 VOUT 和负载。
• 储能：电流流过电感 L1，电感储存磁场能量。
• 二极管：此时 SW 点电压接近 VIN，二极管 D1 阳极电压低于阴极，处于反向截止状态。

第二阶段：开关断开（OFF）

• 续流：开关断开，输入通路被切断。但电感的电流不能突变，它会产生感应电动势来维持电流。
• 回路：电流会从 系统地（GND） 出发，穿过 导通 的二极管 D1，流过电感 L1，继续为输出端和负载供电。
• 二极管作用：D1 在此刻导通，为电感电流提供了续流通路，这就是“异步续流”。

通过控制开关导通与断开的时间比例（占空比 D），就可以调节输出电压。在理想情况下，它们的关系是：

V_out = V_in · D

改造Buck电路以产生负电压

现在进入核心部分。如何让一个标准的异步Buck电路输出负电压呢？关键在于两个改动：

1. 对调电感和二极管的位置。
2. 将芯片的GND引脚连接到电路的输出端VOUT上。

下图清晰地展示了第一种视角的改动：对调电感和二极管。

另一种等效的描述是：对调输出 VOUT 和芯片的GND参考点。

本质上，上面两个电路图是等价的。经过这样的改造，标准的 Buck拓扑 就被重构为了 反相升降压拓扑。其工作过程也与之前分析的反相升降压电路完全一致：

阶段一：内部开关导通（电感储能）

• 电流从VIN流入，经芯片内部开关、SW引脚、电感L1，流向系统地（GND）。电感储能，二极管D1截止。

阶段二：内部开关断开（电感抽能）

• 电感为维持电流，极性翻转，SW点变为负压。
• 二极管D1导通，形成 VOUT → D1 → L1 → GND 的回路，从输出电容“抽走”电荷，从而使VOUT端形成稳定的负电压。

此时，输入输出电压的关系变为：

V_OUT = -V_IN · [ D / (1 - D) ]

芯片如何在这种“非常规”接法下工作？

你可能会问，芯片的GND都接到负电压上了，它自己还能正常工作吗？答案是肯定的，但需要一些条件：

• 工作电源：芯片“看到”的输入电压不再是 VIN，而是 VIN - VOUT。因为它的GND引脚被拉到了负电位（VOUT）。例如，输入为+5V，输出为-5V，那么芯片承受的压差就是10V。这对芯片的耐压提出了更高要求。
• 反馈控制：反馈电阻网络（R1, R2）仍然有效。R1连接在系统地与FB引脚之间，R2连接在FB引脚与芯片的GND（即VOUT）之间。芯片内部的误差放大器始终努力维持FB引脚电压（相对于其自身的GND）为一个固定的基准值（如1.25V），从而实现了对负输出电压 VOUT = -V_REF * (R1/R2 + 1) 的精确调节。

关键设计注意事项

1. 芯片耐压：这是最重要的！必须确保所选芯片的最大输入电压额定值 V_IN_MAX 大于 VIN - VOUT。例如，用5V输入产生-5V输出，芯片需承受10V压差。
2. 地电位分离：输入电源的负端（Vin-）和系统的基准地（GND）不再是同一点，在布局布线时需注意。
3. 电容极性：输出滤波电容C1的极性必须正确，其正极应接系统地（GND），负极接VOUT。
4. 电感选型：在负压模式下，流经电感的平均电流等于负载电流加上输入电流，比普通Buck模式要大。需要选择饱和电流和额定电流更高的电感。
5. 异步架构优势：使用如LT1616这类异步芯片是实现此电路最方便的选择，因为外部的续流二极管可以自由调整方向。同步Buck芯片因内部集成下管MOSFET，通常无法直接用于此拓扑。

总结

1. 拓扑演变：通过将异步Buck芯片的GND引脚连接到输出端，巧妙地将 降压（Buck） 拓扑重构为 反相升降压（Inverting Buck-Boost） 拓扑。
2. 能量流转：
   • 开关导通时：电感从输入端吸收能量，储存起来，输出由电容维持。
   • 开关断开时：电感释放能量，通过二极管从输出电容“抽取”电荷至地，从而建立并维持负输出电压。
3. 设计核心：
   • 芯片参考点浮动：芯片以负电压为参考地，因此其承受的电压为 VIN - VOUT，选型时必须满足。
   • 利用异步结构：外部续流二极管的存在使得电路改造变得简单直接。

这种“移花接木”的方法为我们在仅有正电源的系统中获得一路或多路负电源提供了极具性价比的解决方案。希望这篇关于电路原理图与DC-DC电源设计的指南能对你有所帮助。如果你对电源设计或其他底层硬件技术有更多兴趣，欢迎在云栈社区与我们深入交流。