Boost芯片一芯三用：12V升压、-11V负压、24V倍压的电路设计技巧

在设计电源电路时，工程师们常常会遇到一个典型的“尴尬”场景：手头只有一个5V的电源，但系统中的运算放大器需要±12V双电源供电，或者某个传感器模块需要24V的高压。额外增加两颗专门的电荷泵芯片？成本太高且占用宝贵的PCB面积。

今天，我们就来分享一个非常实用的硬件技巧：充分利用一颗Boost升压芯片的开关节点，在不增加额外有源器件的情况下，免费“获得”一路负压和一路倍压输出。这不仅是成本的节约，更是对电路拓扑理解深度的一种体现。

核心架构：主Boost升压电路

一切的起点，是一个典型的异步Boost升压电路。其工作原理是整个方案的动力源泉。

通过上方的逻辑示意图，我们可以清晰地看到电路结构：以LT1935芯片（U1）为核心，输入5V（V1），通过电感L1（4.2μH）和二极管D1（1N5817）的配合，输出我们设定的12V电压（VOUT1）。输出电压由反馈电阻R1（84.5kΩ）和R2（10kΩ）的分压比决定，遵循公式 VOUT1 = 1.2 * (1 + R1/R2)，计算值约为11.34V。

让我们通过波形图来直观感受它的工作过程：

图中：

• 青色线 (V(vin))：恒定的5V输入电压。
• 蓝色线 (V(vout))：稳定的12V输出电压。
• 绿色线 (V(sw))：芯片SW引脚上的高频开关方波。
• 红色线 (I(L1))：电感L1中的电流，呈三角波形。

工作过程拆解：

1. 储能阶段：当芯片内部开关（对应SW引脚）导通时，电感L1一端接地，电流I(L1)线性上升（见波形图红色部分），电能以磁场形式储存在电感中。
2. 释放阶段：当内部开关断开，电感为了维持电流不变，会产生感应电动势，其极性为左负右正。这个感应电压与输入电压Vin串联叠加，通过二极管D1对输出电容C1充电，从而将电压“泵升”到更高的Vout。
3. 关键资源：在这个过程中，SW引脚产生了一个在0V到Vout（约12V）之间高速跳变的方波（波形图绿色线）。这个充满能量的开关节点，正是我们后续构造负压和倍压电路的“泵浦”源。

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基石：电荷泵的工作原理

在深入“魔改”Boost电路之前，我们需要重温电荷泵（Charge Pump）的基本原理。简单来说，它是一种利用电容的充放电和二极管的方向性，来产生高于或低于输入电压的电路，其核心在于电容两端的电压不能突变的特性。

一个最基础的负压电荷泵电路如下所示：

通过拓扑结构的等效变换，我们可以得到以下几种形式，它们在电气上是完全等价的：

理解这些等效形式，有助于我们识别并灵活运用Boost开关节点来驱动电荷泵。

负压生成电路：反向电荷泵

现在，我们将理论付诸实践。目标是将Boost芯片SW引脚的正向脉冲“翻转”成负压。

寻找驱动源：无需外部时钟，Boost芯片的SW引脚本身就是现成的高速、大摆幅方波信号源。

电路实现：我们在SW节点上接入一个由C3、D2、D3和C4组成的电荷泵网络。

工作逻辑分步解析：

1. 充电阶段：当SW节点跳变为高电平（约12V）时，电流通过二极管D2给“飞跨电容”C3充电，使其两端电压Vc3约为 Vout1 - Vf（Vf为二极管压降），极性为左正右负。
2. 泵送阶段：当SW节点跳回低电平（0V）时，C3的左端瞬间被拉回地。由于电容电压不能突变，其右端电位将被强制拉低至约 -Vc3，即 -(Vout1 - Vf)。
3. 输出与滤波：这个负电位通过二极管D3向输出滤波电容C4充电，最终在VOUT2端建立起稳定的负电压，理论值约为 -11V（经过D2和D3两个二极管的压降）。

让我们通过波形图验证结果：

图中，青色线V(vout2)是一条稳定的水平线，位于-12V左右，完美地验证了负压的成功生成。

倍压生成电路：同向电荷泵

如果12V的主升压输出还不够用怎么办？我们可以继续“压榨”SW节点，在其基础上再叠加一次电压，实现倍压（24V）。

拓扑思路：同样是飞跨电容和二极管，但这次我们将电荷泵的参考地从GND改为VOUT1（12V）。这样，SW的摆动就在12V的基础上进行，从而实现电压的倍增。

倍压工作流程：

1. 预充电：当SW为低电平（0V）时，主输出电压VOUT1（12V）通过二极管D4给飞跨电容C5充电，使其两端电压维持在约12V。
2. 电压叠加：当SW跳变为高电平（12V）时，这个12V的跳变如同一个“垫脚石”，将C5的负极电位从0V抬升到了12V。
3. 电压倍增：此时，C5正极对地的电位就等于 VOUT1（12V） + Vsw_high（12V），即24V。
4. 输出：这个高压通过二极管D5向C6充电并滤波，最终在VOUT3端得到稳定的24V输出。

最终的电路波形图清晰地展示了三路电压的和谐共存：

我们可以通过下表快速理解各波形信号：

信号	颜色	物理表现
V(sw)	绿色	0~12V 摆动的方波，是整个系统的动力源
V(vout1)	蓝色	稳定的 +12V 主升压输出
V(vout2)	青色	稳定的 -11V 负压输出
V(vout3)	紫色	稳定的 +24V 倍压输出
I(L1)	红色	电感电流的充放电三角波

工程实践与避坑指南

这种“一芯三用”的方案极具性价比，但在实际应用中必须注意其局限性，避免踩坑：

• 负载能力有限：芯片的反馈环路只监测主输出VOUT1。负压（VOUT2）和倍压（VOUT3）是开环输出，如果这两路接了重负载导致电压跌落，主控芯片是无法感知并进行补偿的。因此，负压和倍压输出仅适用于小电流场景，例如为运放、传感器或LED驱动提供偏置电压。
• 二极管选型关键：电路中所有二极管（D1-D5）强烈建议使用肖特基二极管，如1N5817。原因有二：一是Boost电路开关频率通常较高（几十kHz到几MHz），肖特基二极管反向恢复时间极短，能跟上快速切换；二是其正向压降（Vf）较小，能减少不必要的电压损耗，提高转换效率。
• 注意输出纹波：电荷泵电路的输出纹波通常比基于电感的Boost主回路要大。如果负压或倍压需要为对噪声敏感的精密模拟电路供电，建议在其输出后端再增加一级LDO进行滤波稳压。

结语

通过深入剖析Boost芯片的开关节点特性，并巧妙嫁接电荷泵拓扑，我们实现了从单一5V输入到“一正、一负、一高”三路电压的高效转换。这种设计充分体现了硬件工程师“物尽其用”的设计哲学，是对电源架构和计算机基础中能量转换原理的创造性应用。它不仅是节省成本和空间的妙招，更是电路设计艺术的一种体现。在实际项目中，请务必根据具体的电流需求、纹波要求和成本预算来权衡使用。希望这个思路能为你的下一个设计带来灵感。