如何用雙輸出電壓轉(zhuǎn)化器實(shí)現(xiàn)低成本解決方案

摘 要：無論何種應(yīng)用，工程師都會(huì)面對要用負(fù)電壓對特定功能的電路進(jìn)行偏置的問題，這種需要常見于單電源供電系統(tǒng)中要高性能地析取或強(qiáng)加一個(gè)模擬信號(hào)。當(dāng)然，用交流電源供電的任何系統(tǒng)都可以用交流/直流轉(zhuǎn)換器的附加繞組來解決這一問題。但是，當(dāng)采用單個(gè)電池供電時(shí)，情況就較為復(fù)雜。在這種情況下，采用簡單的直流/直流轉(zhuǎn)換器即可滿足這種需要，而無須增大PCB占位面積或增加成本。

基本電路說明

--- 雙電壓轉(zhuǎn)換器基于NCP5006芯片，該芯片的高電壓輸出能力，原先被用來供電給白色LED。該轉(zhuǎn)換器用于我們實(shí)驗(yàn)室中對專用模擬芯片進(jìn)行性能鑒定的高精度ADC系統(tǒng)，為了使運(yùn)算放大器獲得最佳性能，需要采用一個(gè)雙電源電壓。另一方面，還需要一個(gè)+10V電壓用于對額外的電流源進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠?，以產(chǎn)生線性電壓斜率。

因?yàn)榘迳蠜]有這幾種電壓（由3.6V鋰離子電池供電），因此采用標(biāo)準(zhǔn)元件設(shè)計(jì)出如圖1原理圖所示的電路。 --- 一般而言，轉(zhuǎn)換器可以將輸入電壓提升至20V，并且能夠向負(fù)載提供高至600mW的功率。輸出電壓由連接于Vout和地之間的R1/R2網(wǎng)絡(luò)所提供的反饋來穩(wěn)定。芯片設(shè)計(jì)中包含200mV 反饋檢測，從而減小了總的損耗。

-- +10V輸出電壓由二極管D2整流，最好選用肖特基器件，但是硅類器件亦可，因?yàn)槲覀冎恍铦M足低輸出電流要求，儲(chǔ)能電容為2.2μF（最好是陶瓷電容）。輸出電容取決于輸出負(fù)載電流，如果負(fù)載電流較大且要求較小紋波，則可以增大此電容。該電路設(shè)計(jì)為向+Vout提供5mA電流。-10V由類似電荷泵的技術(shù)產(chǎn)生，使用一個(gè)100nF 陶瓷電容由開關(guān)電壓向負(fù)載提供能量。采用微型SOT563封裝的雙二極管，可使PCB布局簡潔且占位面積有限。當(dāng)然，必須使用一個(gè)額外的2.2μF儲(chǔ)能電容（最好是陶瓷電容）來適當(dāng)濾除負(fù)極輸出上的噪聲。負(fù)極輸出能夠向負(fù)載提供

-5mA電流，但是如果相應(yīng)調(diào)整C2和C3的大小，則可以支持更大的負(fù)載。

--- 盡管負(fù)極輸出電壓隨著負(fù)載而變化，但這并不是主要問題，因?yàn)楸緫?yīng)用中采用了高端運(yùn)算放大器，有利于提高電源抑制比（PSRR），避免了任何因負(fù)極電壓變化而產(chǎn)生的問題。另一方面，本應(yīng)用所吸收的電流幾乎恒定，形成一個(gè)輸出幾乎恒定的負(fù)電壓。

--- 輸出電壓紋波主要來自由開關(guān)引起的快速瞬變所產(chǎn)生的噪聲： 參見圖2中的波形。盡管這種噪聲是有害的（參見安森美半導(dǎo)體應(yīng)用注釋AND8172D），但可以采用額外的LC濾波器串連輸出電壓，以降低噪聲。

微型的高磁導(dǎo)率電感配合現(xiàn)有的電容使用（參見圖3），可以顯著減小噪聲，如圖4所示。當(dāng)然，PCB必須經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)，以減小采集噪聲，并且根據(jù)不同的敏感度水平，可能強(qiáng)制使用多層板將噪聲減至最小。

輸出穩(wěn)壓

根據(jù)應(yīng)用的不同，穩(wěn)定而精確的輸出電壓可能是一項(xiàng)強(qiáng)制性要求；但上面給出的簡單電路因?yàn)檩敵鲭妷喝Q于負(fù)載，無法滿足這項(xiàng)要求。---正電壓輸出是穩(wěn)壓的，并通過表面貼裝的LM317B線性穩(wěn)壓器進(jìn)行過載保護(hù)。兩個(gè)附加的二極管用以在電源開通/關(guān)閉的瞬變過程中，為穩(wěn)壓的LM317B提供保護(hù)。

---盡管市場上存在一批負(fù)電壓線性穩(wěn)壓器，但是選擇分立解決方案可以更好地支持較小的負(fù)載電流。另一方面，這里無需過載保護(hù)電路，因?yàn)樨?fù)壓輸出電流由直流/直流架構(gòu)自動(dòng)限制。事實(shí)上，如果-10V 和地之間發(fā)生對地短路，則PNP晶體管中不可能流過連續(xù)電流（電容C3阻隔了直流電流）。因此，對該P(yáng)NP器件不存在連續(xù)正向偏置安全工作區(qū)域問題，而小信號(hào)BC858C器件可以很好地實(shí)現(xiàn)這一功能。圖6所示的PSPICE仿真結(jié)果說明了每個(gè)輸出端帶10mA負(fù)載的線性穩(wěn)壓器的性能。