1、如何理解負(fù)電壓？

 

從概念上講，負(fù)電壓是一個(gè)物理學(xué)名詞，電壓的大小是相對(duì)于選擇的參考而言的，當(dāng)實(shí)際電壓低于比較電壓時(shí)，電壓值為負(fù)。

 

說(shuō)白了就是根據(jù)所選擇的參考點(diǎn)，把電壓分為正電壓和負(fù)電壓。通常情況下會(huì)選擇大地作為電壓的參考點(diǎn)，也就是所謂的零電位。高于大地電位的是正電壓，反之就是負(fù)電壓。

 

當(dāng)然，隨著電位參考點(diǎn)的變化，正負(fù)電壓的界定標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)相應(yīng)變化。一般來(lái)說(shuō)，正電壓的低電平端是零電位，也就是通常說(shuō)的大地端；而負(fù)電壓則相反，大地端的零電位恰恰是負(fù)電壓的高電平端。

 

2、為何選用負(fù)電壓？

 

隨著電子技術(shù)的提高以及電子產(chǎn)品的發(fā)展，一些系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)需要負(fù)電壓為其供電。但你知道為什么有些測(cè)試設(shè)備選用負(fù)電壓測(cè)試，而有些設(shè)備要選用負(fù)電壓供電嗎？

 

首先，使用負(fù)電壓測(cè)試原理或是負(fù)電壓供電，可以避免設(shè)備在測(cè)試或使用過(guò)程中因電子積聚而產(chǎn)生大電流損壞測(cè)試設(shè)備和電子部件。

 

因?yàn)殡娮邮菐ж?fù)電荷的，它會(huì)向正電壓方向（高電位端）流動(dòng)，電子的流動(dòng)也就形成為電流。使用負(fù)電壓時(shí)，過(guò)多的電子因?yàn)樨?fù)電荷的緣故，會(huì)聚集到負(fù)電壓的高電平端，也就是設(shè)備電源的接地端，而不會(huì)聚集在測(cè)試設(shè)備上。這樣一來(lái)，設(shè)備因電子聚集而產(chǎn)生電流燒壞設(shè)備的機(jī)率就大大降低，設(shè)備的穩(wěn)定性能就相應(yīng)有所提高，設(shè)備的穩(wěn)定性，直接決定了測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量的精確一致度。

 

其次，根據(jù)物理學(xué)上電磁場(chǎng)的特性，使用負(fù)電壓可以在一定程度上避免電磁方面的干擾，這對(duì)于系統(tǒng)測(cè)試微安級(jí)或是更小級(jí)別的電信號(hào)時(shí)是有有益幫助的，能夠提高系統(tǒng)測(cè)試毫歐級(jí)的小電阻的精確度。而對(duì)于使用負(fù)電壓供電的設(shè)備，則可以提高設(shè)備的抗電磁干擾能力。

 

第三，根據(jù)電工學(xué)知識(shí)，我們知道，相較于正電壓，負(fù)電壓對(duì)人體和電子產(chǎn)品的安全性能也好于正電壓。

 

任何事物，都有其兩面性，我們并不能因?yàn)樗心承┓矫娴膬?yōu)點(diǎn)，就說(shuō)它是完美的，同樣的，負(fù)電壓也不例外。相較于正電壓，負(fù)電壓的不足亦很明顯。

 

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，由于我們現(xiàn)實(shí)中使用的電壓大多都是正電壓，這樣，產(chǎn)生不同量級(jí)的正電壓，相對(duì)于負(fù)電壓來(lái)說(shuō)，則要容易的多，所花費(fèi)的成本也要低的多。

 

3、如何產(chǎn)生負(fù)電壓？

 

各位工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)，可能會(huì)遇到需要負(fù)電壓供電的系統(tǒng)，比如使用負(fù)電壓為IGBT提供關(guān)斷負(fù)電壓、運(yùn)放系統(tǒng)中用正負(fù)對(duì)稱的偏置電壓供電。那么，該如何產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定可靠的負(fù)電壓呢？以下這幾種方法僅供參考：

 

一是，電荷泵提供負(fù)壓。TTL電平/232電平轉(zhuǎn)換芯片（如MAX232、MAX3391等）是最典型的電荷泵器件，可以輸出較低功率的負(fù)壓。但有些LCD要求-24V的負(fù)偏壓，則需要另外想辦法?？捎靡黄琺ax232為L(zhǎng)CD模塊提供負(fù)偏壓。TTL-in接高電平，RS232-out串一個(gè)10K的電位器接到LCM的VEE。這樣不但可以顯示，而且對(duì)比度也可調(diào)。 MAX232是＋5V供電的雙路RS-232驅(qū)動(dòng)器，芯片的內(nèi)部還包含了+5V及±10V的兩個(gè)電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器。

 

設(shè)計(jì)高壓電荷泵需要較多的開(kāi)關(guān)，用分離元件實(shí)現(xiàn)起來(lái)就有點(diǎn)困難了，不如用電感來(lái)得簡(jiǎn)單。一般來(lái)說(shuō)，1個(gè)三極管或MOSFET，1個(gè)比較器或通用運(yùn)放（做PWM振蕩），1個(gè)電感，1個(gè)肖基特二極管和若干阻容元件就可以搞定。如果你的MCU自身帶有PWM接口，且軟件允許的話，那就更簡(jiǎn)單了。

 

二是，反相器提供負(fù)壓。反相器的輸出接一個(gè)電容C1，C1的另一端接二極管D1的正極和二極管D2的負(fù)極，D1的負(fù)極接地，D2的負(fù)極接電容C2，C2的另一端接地。C2的容量要大于C1。

 

例如，C1用0.1μF，C2用 0.47μF，當(dāng)然最佳數(shù)值可由試驗(yàn)確定。反相器的輸入端加一個(gè)方波，其幅值應(yīng)該能使反相器正常工作，那么在反相器的輸出端就出現(xiàn)一個(gè)相位相反的方波。電容C2上就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)電壓，理論上比電源電壓低0.7V,然后再穩(wěn)壓到-5V。

 

三是，負(fù)壓電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生負(fù)壓。MAX749是一個(gè)專門用來(lái)產(chǎn)生負(fù)電壓的電源轉(zhuǎn)換器。 MAX749為倒相式PFM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓，輸入電壓+2V至+6V，輸出電壓可達(dá)-100V以上，可通過(guò)內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)節(jié)，或者通過(guò)一個(gè)PWM信號(hào)或電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

 

MAX749采用一種電流控制方法，既減小了靜態(tài)電流消耗，又提高了轉(zhuǎn)換效率。關(guān)斷方式下,靜態(tài)電流僅為15mA。MAX749在關(guān)斷方式下仍保持DAC的設(shè)定值，從而簡(jiǎn)化了軟件控制。

 

使用MAX749產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，應(yīng)注意外圍元件的選擇，這里特別說(shuō)明幾點(diǎn)：

 

•晶體管：可以用PNP晶體管或P溝道MOSFET。前者經(jīng)濟(jì)，使用簡(jiǎn)單；后者能提供更大電流，且轉(zhuǎn)換效率較高，但往往需要較高的輸入電壓（通常要求 +5V或 +5V以上）。如使用2SC8550三極管，可以提供較大的輸出電流。

 

• RSENSE：RSENSE是一個(gè)微阻值的檢測(cè)電阻，可以用一小段康銅絲代替，但不能直接用0Ω電阻短路。RSENSE的大小與輸出電流成反比關(guān)系，因此可根據(jù)電流需要確定RSENSE的最大值，但為了保證轉(zhuǎn)換效率,不宜取得過(guò)小。一般在輸出電壓為-24V的情況下，要求輸出電流為0.5A左右時(shí), 可取RSENSE=0.25Ω，輸出電流為0.8A左右時(shí)，可取RSENSE=0.2Ω。

 

•RBASE ：RBASE應(yīng)足夠小以保證晶體管能處在飽和狀態(tài),但RBASE太小又降低了轉(zhuǎn)換效率,通常在160Ω~470Ω之間取值。

 

•另外，電感L的感值在22-l00mH之間，通常取47mH，為提高效率，電感的內(nèi)阻要小，最好在300mΩ以下；二極管可用IN5817-IN5822系列快恢復(fù)二極管；CCOMP取決于RFB及電路布局,通常在100pF-l0nF之間取值。

 

四是，專用DC/DC電壓反轉(zhuǎn)器提供負(fù)壓。ME7660是一種DC/DC電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器，采用AL柵 CMOS工藝設(shè)計(jì)。該芯片能將輸入范圍為+1.5V至+10V的電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的-1.5V至-10V的輸出，并且只需外接兩只低損耗電容,無(wú)需電感。芯片的振蕩器額定頻率為10KHZ，應(yīng)用于低輸入電流情況時(shí)，可于振蕩器與地之間外接一電容，從而以低于10KHZ的振蕩頻率正常工作。

 

ME7660轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)如下：

 

•轉(zhuǎn)換邏輯電源+5V為±5V雙相電壓；

•輸入工作電壓范圍廣：1.5V-10V；

•電源轉(zhuǎn)換效率高：98%; 

•低功耗：靜態(tài)電流為90μA（輸入5V時(shí)）；

• ME7660轉(zhuǎn)換器多用于LCD、接口轉(zhuǎn)換器及儀表等場(chǎng)合。

 

五是，輸出正電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生負(fù)壓。除了上述方法之外，也可用一些輸出正電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生負(fù)壓，比如降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器LM2596等，只需以GND為參考鎖住反向調(diào)節(jié)器，在輸出參考等方面稍作改變就可以了。由于GND端不是接地而是接到負(fù)輸出電壓端上，所以需要相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換裝置，比如光藕或三極管。

 

總而言之，負(fù)電壓設(shè)計(jì)方案多種多樣，哪一個(gè)方案更適合你的設(shè)計(jì)，還要綜合考慮不同應(yīng)用、不同技術(shù)要求而定。