以下文章來源于飛多學(xué)堂，作者飛多學(xué)堂

電路中，很多地方需要負(fù)電壓。本文介紹如何使用異步降壓開關(guān)穩(wěn)壓芯片（Asynchronous Buck/Step-Down Switching Regulator）產(chǎn)生負(fù)電壓的方法。

電感產(chǎn)生負(fù)電壓的原理

反相升降壓（Inverting Buck-Boost）電路。它利用了電感“電流不能突變”的特性，像一個(gè)抽水機(jī)一樣，把電荷從輸出端“抽”向地，從而產(chǎn)生負(fù)電壓。

Inverting Buck-Boost電路

我們可以分兩個(gè)階段來拆解這個(gè)過程：

階段一：開關(guān) S1 閉合（儲(chǔ)能階段）

回路：電流從 VIN (5V) 流出，經(jīng)過開關(guān) S1，直接流向電感 L1，最后回到系統(tǒng)地（GND）。

電感狀態(tài)：此時(shí)電感 L1 兩端的電壓為上正下負(fù)。電感開始“充能”，電流線性上升，能量以磁場的形式存儲(chǔ)在 L1 中。

二極管狀態(tài)：由于 SW 點(diǎn)的電位是 5V，而輸出端 VOUT 此時(shí)是負(fù)壓（或 0V），二極管 D1 處于反向截止?fàn)顟B(tài)，輸入端的電流不會(huì)流向輸出端。

開關(guān)閉合電感儲(chǔ)能

階段二：開關(guān) S1 斷開（放電/產(chǎn)生負(fù)壓階段）

物理特性：當(dāng) S1 突然斷開，電感 L1 為了維持電流方向不變（電流必須繼續(xù)向下流向地），它會(huì)瞬間改變自身的電壓極性。

極性翻轉(zhuǎn)：此時(shí)電感 L1 變成了一個(gè)“電池”，它的上端（SW點(diǎn)）變成了負(fù)電位。

回路：為了維持電流，它必須從外界“吸”電流。由于 S1 斷開，電流只能從 VOUT 經(jīng)過二極管 D1 抽過來。

路徑：VOUT → D1 → L1 → GND。

結(jié)果：電流從輸出電容 C1 的上極板被“抽走”，導(dǎo)致 VOUT 上的電荷減少，電位持續(xù)下降，最終跌破 0V 變成負(fù)電壓。

開關(guān)斷開電感抽真空

Buck降壓典型電路

可將降壓型穩(wěn)壓芯片配置為反相降壓-升壓（Inverting Buck-Boost）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使輸出電壓相對于地為負(fù)值。

學(xué)習(xí)產(chǎn)生負(fù)壓前先看下異步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓芯片典型電路。

異步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓芯片典型電路

什么是“異步”？

在開關(guān)穩(wěn)壓電路中，通常有兩個(gè)“開關(guān)”。

同步（Synchronous）：內(nèi)部集成兩個(gè) MOSFET 輪流導(dǎo)通。

異步（Asynchronous）：內(nèi)部只有一個(gè)高壓側(cè)開關(guān)管（上管），而在低壓側(cè)使用一個(gè)外部二極管（D1）進(jìn)行續(xù)流。上圖中的1N5817 肖特基二極管就是這個(gè)“異步”組件。

異步降壓電路的工作就像是一個(gè)不斷開關(guān)的水龍頭和一個(gè)小水桶（電感）。

Buck芯片內(nèi)部的開關(guān)管充當(dāng)開關(guān)

圖a是開關(guān)導(dǎo)通階段，圖b是開掛斷開階段。

第一階段：開關(guān)導(dǎo)通（ON）

路徑：芯片 LT1616 內(nèi)部的開關(guān)管閉合，電流從VIN流向SW引腳，經(jīng)過L1，流向VOUT和負(fù)載。

儲(chǔ)能：電流流過電感 L1 時(shí)，電感會(huì)產(chǎn)生磁場儲(chǔ)存能量。

二極管狀態(tài)：此時(shí) SW 點(diǎn)電壓接近 VIN（5V），二極管 D1 處于反向截止?fàn)顟B(tài)，不工作。

第二階段：開關(guān)斷開（OFF）

慣性續(xù)流：內(nèi)部開關(guān)斷開，VIN 被切斷。但電感 L1 具有“電流不能突變”的特性，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢來維持電流繼續(xù)流動(dòng)。

回路：電流會(huì)從GND出發(fā)，穿過二極管 D1，流過L1補(bǔ)充給輸出端。

二極管作用：此時(shí) D1 導(dǎo)通，充當(dāng)了電流回歸的“單向閥門”。這就是“異步續(xù)流”過程。

也可以把 L1、C1 理解為 LC 濾波電路。

輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系如下：

輸入和輸出的關(guān)系

其中，D 是占空比。

Buck電路產(chǎn)生負(fù)電壓

將異步 Buck 降壓典型電路做如下改動(dòng)，可以使之產(chǎn)生負(fù)電壓：

對調(diào)電感和二極管

把芯片的 GND 接到輸出 VOUT 上

對調(diào)電感和二極管

對于上面兩個(gè)改動(dòng)，也有一些學(xué)者將其描述為對調(diào)輸出 VOUT 和 芯片 GND:

對調(diào)VOUT和GND

其實(shí)，上面兩個(gè)電路是一樣的。

使用異步降壓（Buck）芯片產(chǎn)生負(fù)電壓，其核心原理是將標(biāo)準(zhǔn)的Buck 拓?fù)淝擅畹刂貥?gòu)成反相升降壓（Inverting Buck-Boost）拓?fù)洹?/p>

工作過程分為兩個(gè)階段：

階段一：內(nèi)部開關(guān)導(dǎo)通（儲(chǔ)能階段）

路徑：芯片內(nèi)部開關(guān)管閉合，電流從流入，通過 SW 引腳進(jìn)入電感，最后流向系統(tǒng)地。

能量轉(zhuǎn)換：此時(shí)電感兩端電壓為上正下負(fù)。電流線性上升，電感以磁場形式儲(chǔ)存能量。

二極管狀態(tài)：此時(shí) SW 點(diǎn)為高電平，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)。

階段二：內(nèi)部開關(guān)斷開（放電/抽電階段）

電流續(xù)流：當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，由于電感電流不能突變，電感會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢以維持原方向的電流（向地流動(dòng)）。

極性翻轉(zhuǎn)：為了維持電流，電感上端的電位（SW 點(diǎn)）會(huì)瞬間被拉低，跌破 0V 變成負(fù)電位。

回路形成：電流迫使二極管導(dǎo)通。此時(shí)，電感從輸出電容中“抽走”電荷。

路徑：。

結(jié)果：由于電荷被持續(xù)抽向地，輸出端對地形成負(fù)電壓。

輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系如下：

輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系

芯片如何實(shí)現(xiàn)自我管理？

在負(fù)電壓這種接法下，芯片被“欺騙”了，但它依然能穩(wěn)定工作：

工作電源：芯片看到的輸入電壓不再是，而是 ****（因?yàn)樾酒?GND 接在上）。例如，輸入 5V，輸出 -5V，芯片實(shí)際承受的壓力是 10V。

反饋控制：反饋電阻接在系統(tǒng)地與 FB 之間，接在 FB 與芯片 GND（即）之間。芯片通過維持 FB 引腳相對于其自身 GND 引腳的電壓穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)了對負(fù)輸出電壓的精確調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

耐壓極限：選擇芯片時(shí)，必須確保其額定最大電壓大于，否則芯片會(huì)燒毀。

輸入輸出不共地：輸入電源的地（Vin）和系統(tǒng)基準(zhǔn)地（GND）不再是同一點(diǎn)。

電容極性：如果使用電解電容，務(wù)必檢查 VOUT 濾波電容的極性方向。

電流能力：在負(fù)壓模式下，電感平均電流為輸入電流與負(fù)載電流之和，這比普通降壓模式要大，需選用飽和電流更高的電感。

異步優(yōu)勢：使用如 LT1616 這樣的異步芯片（帶外部續(xù)流二極管）在改負(fù)壓時(shí)非常方便，因?yàn)橥獠慷O管的極性可以自由調(diào)整。

總結(jié)

拓?fù)溲葑儯和ㄟ^將異步 Buck 芯片的 GND 和輸出端V OUT 對調(diào)，可以將Buck（降壓）結(jié)構(gòu)重構(gòu)為Inverting Buck-Boost（反相升降壓）。

能量守恒：

開關(guān)導(dǎo)通時(shí)：電感 L1 向系統(tǒng)地儲(chǔ)能，此時(shí)輸出端由電容供電。

開關(guān)斷開時(shí)：電感產(chǎn)生反向感應(yīng)電動(dòng)勢，通過二極管從 VOUT “抽走”電荷流向地，從而在 VOUT 形成負(fù)電位。

設(shè)計(jì)核心：

芯片 GND 懸浮：芯片的參考電位變?yōu)榱素?fù)電壓，因此輸入耐壓必須滿足。

異步優(yōu)勢：異步芯片外接的續(xù)流二極管方便極性對調(diào)，是實(shí)現(xiàn)該電路最簡便的選擇。