嵌入式硬件电子电路设计（三）电源电路之负电源

引言：在对信号线性度放大要求非常高的应用需要使用双电源运放，比如高精度测量仪器、仪表等;那么就需要给双电源运放提供正负电源。

目录

负电源电路原理

负电源的作用

如何产生负电源

负电源能作功吗？

地的理解

负电压产生电路

BUCK电路做负电压

通过变压器产生负电压

电荷泵 + 线性稳压

使用SX1308 Boost芯片 与 线性稳压芯片L7915产生负压

1. 反相Buck电路

电路概念：

电路设计：

工作原理：

2. Buck-Boost转换器

工作原理：

3. 使用两个Buck转换器

电路概念：

设计示例：

设计注意事项

应用场景

负电源电路原理

我们常用的BUCK降压电路能得到正电压，如图所示。

其实BUCK降压电路在不改变元器件参数的情况下能变换得到与正电压相可输出能力的负电压，如图2所示;其工作原理和正电压输出是一样的，得到的电源质量也很高。

负电源的作用

1. 双极性信号处理：许多模拟电路（如运算放大器）需要双极性供电（正电压和负电压），以便能够处理正负信号。
2. 信号放大：在音频和视频处理电路中，负电源可用于放大器提供必要的工作电压范围。
3. 驱动某些元件：某些传感器和执行器（如某些类型的电机）可能需要负电压来正常运行。

如何产生负电源

1. 使用DC-DC转换器：

   • Buck-Boost转换器：可以在输入电压范围内输出正负电压，适合需要双向电压的应用。
   • 反相Buck转换器：通过特定的电路配置，将Buck转换器的输出极性反转，输出负电压。

2. 电池配置：

   • 使用两个电池组，其中一个提供正电压，另一个提供负电压，两个电池的公共端为地。

3. 运算放大器配置：

   • 通过运算放大器构建反相放大电路，也可以实现负电压输出。

负电源能作功吗？

负电源本身并不直接“作功”，而是提供了电能的路径和条件。在负电源的供电电路中，电流的流动方向可能与正电源相反，但只要电路闭合，负电源同样能驱动电路中的器件，实现功的输出。工作原理与正电源相同。

地的理解

1. 地的定义：在电路中，地（Ground）通常是电压的参考点，所有其他电压都是相对于地来测量的。它可以是电路的零电位点。

2. 地的类型：

   • 信号地：用于信号电路的共同参考点。
   • 电源地：用于电源电路的返回路径。
   • 虚地：在一些放大器电路中，基于反馈的作用，地的电位可以看作是虚地。

3. 地的作用：

   • 提供稳定的参考电压，确保电路正常工作。
   • 降低噪声干扰，保护电路元件。

负电压产生电路

BUCK电路做负电压

针对上述内容我们进行拓补改良，得到如下。

因此，使用Buck电路实现负电压输出可以通过一些特定配置来完成，虽然Buck转换器通常用于降低电压，但可以通过电路设计来生成负电压。以下是几种实现方法：

通过变压器产生负电压

注意负电压的电解电容不要接反，电容正极接GND，电容负极接负电压

电荷泵 + 线性稳压

建议使用同步整流功能的开关电源芯片，电荷泵电路一般不用于大电流电路。

使用SX1308 Boost芯片 与 线性稳压芯片L7915产生负压

1. 反相Buck电路

电路概念：

• 基本构成：可以使用标准Buck转换器电路，并在输出端接入一个反向二极管或使用反相运算放大器配置。
• 负电压生成：通过将Buck转换器的输出与地连接，得到负电压。

电路设计：

• 开关管：选择适当的开关管（如MOSFET），根据输入电压和输出电流要求。
• 电感和电容：选择合适的电感和输出电容，确保输出电压平稳。

工作原理：

1. 当开关关闭时，电感储存能量。
2. 当开关打开时，电感的电流通过二极管向输出端流动，使得输出电压相对于地是负的。

2. Buck-Boost转换器

如果Buck电路直接配置不够灵活，可以考虑使用Buck-Boost转换器。

工作原理：

• Buck-Boost转换器可以在输入电压范围内实现升压和降压，适用于需要输出负电压的情况。

3. 使用两个Buck转换器

电路概念：

• 使用两个Buck转换器，一个产生正电压，另一个从该正电压生成负电压。

设计示例：

1. 第一个Buck转换器将输入电压降低为所需的正电压。
2. 第二个Buck转换器的输入端连接到第一个转换器的输出，并配置为反向输出，得到负电压。

设计注意事项

1. 电源选择：确保电源能够支持负电压输出。
2. 控制策略：选择合适的控制IC，确保能够稳定输出负电压。
3. 滤波和稳压：在输出端加入滤波电容，确保负电压输出的稳定性和低噪声。
4. 热管理：考虑开关管和其他元件的散热，防止过热影响电路性能。

应用场景

• 运算放大器供电：许多运算放大器需要负电压供电，以处理双极性信号。
• 传感器供电：一些传感器电路需要负电压来确保其正常工作。