【单片机】如何产生负电压?

以下是对知乎文章《单片机中常用的负电压是这样产生的！》的解析与总结，结合电路原理、应用场景及讨论要点展开：

一、负电压产生的核心原理

负电压本质是相对于参考地（GND）的电势差为负值，需通过电源或储能元件（如电容、电感）构建电势差。核心方法是利用电源串联或能量转换，使目标点电势低于参考地。

二、单片机电路中常用的负电压产生方案

1. 基于PWM的电容充放电电路（低成本方案）

• 电路组成：
  • 核心元件：MOS管/三极管（Q1、Q2）、电容（C1、C2）、二极管（D1、D2）。
  • 输入：单片机输出的PWM信号（约1kHz方波）。
• 工作原理：
  • 充电阶段（PWM低电平）：Q2导通，VCC通过Q2给C1充电，形成左正右负电压（如5V）。
  • 放电阶段（PWM高电平）：Q1导通，C1通过Q1向C2放电，C2上形成下正上负的负电压（理论值-5V）。
• 特点：
  • 元件少、成本低，但带载能力弱（仅适用于微功耗场景，如运放偏置）。
  • 输出电压随负载增大显著下降，需配合滤波电容（如C2）稳定波形。

2. 专用DC-DC芯片方案（高可靠性）

• 典型芯片：
  • 电荷泵：如ICL7660、MAX232（内置电荷泵，用于RS232接口负电压生成）。
  • 开关稳压器：如MC34063、LM2576（支持大电流输出，可达300mA以上）。
• 优势：
  • 输出稳定、带载能力强，适合对电压精度和电流要求高的场景（如示波器、工业设备）。
  • 部分芯片支持多输出（如MAX232同时生成±12V）。

三、负电压的应用场景

1. 通信接口
   • RS232标准要求负电压（-3V~-15V表示逻辑1），需通过MAX232等芯片生成。
2. 运放供电
   • 非轨到轨运放（如OP07）需正负电源扩展输入/输出范围，避免削波失真。
3. 电源隔离与特殊系统
   • 电话系统采用-48V供电，避免电化学腐蚀；部分工业设备利用负电压实现电源隔离。
4. 保护与特殊设计
   • 可用于芯片自毁电路（负电压突破保护阈值，损坏元件），但非通用设计场景。

四、关键问题与讨论

1. 电容特性与充放电逻辑
   • 电容通交隔直：直流下电容充满电后相当于断路，仅在PWM切换时通过充放电传递能量。
   • 网友质疑：原电路中“PWM低电平导通Q2”可能存在笔误，实际需NPN型三极管配合高电平导通（见评论区讨论）。
2. 带载能力优化
   • 单片机IO口驱动能力弱（约10mA），需外接MOS管/三极管扩流，避免直接驱动大负载。
3. 数字地与模拟地处理
   • 两者需在单点共地（如电源输入端），避免数字噪声干扰模拟电路。
4. 纹波与滤波
   • 电荷泵方案纹波较大，需LC滤波；开关电源方案可通过反馈电路降低纹波。

五、总结

• 低成本方案：适用于简单场景，利用PWM和电容快速搭建，但需牺牲带载能力。
• 专业方案：优先选择DC-DC芯片，确保稳定性和可靠性，尤其在通信、工业设备中。
• 设计要点：关注负载需求、纹波要求及地平面分割，避免电路干扰。

该文章通过实例结合理论，适合入门级硬件工程师理解负电压生成逻辑，但部分细节（如三极管导通条件）需结合实际电路验证。