如何用雙輸出電壓轉化器實(shí)現低成本解決方案

摘 要：無(wú)論何種應用，工程師都會(huì )面對要用負電壓對特定功能的電路進(jìn)行偏置的問(wèn)題，這種需要常見(jiàn)于單電源供電系統中要高性能地析取或強加一個(gè)模擬信號。當然，用交流電源供電的任何系統都可以用交流/直流轉換器的附加繞組來(lái)解決這一問(wèn)題。但是，當采用單個(gè)電池供電時(shí)，情況就較為復雜。在這種情況下，采用簡(jiǎn)單的直流/直流轉換器即可滿(mǎn)足這種需要，而無(wú)須增大PCB占位面積或增加成本。

基本電路說(shuō)明

--- 雙電壓轉換器基于NCP5006芯片，該芯片的高電壓輸出能力，原先被用來(lái)供電給白色LED。該轉換器用于我們實(shí)驗室中對專(zhuān)用模擬芯片進(jìn)行性能鑒定的高精度ADC系統，為了使運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)行適當的偏置，以產(chǎn)生線(xiàn)性電壓斜率。

因為板上沒(méi)有這幾種電壓（由3.6V鋰離子電池供電），因此采用標準元件設計出如圖1原理圖所示的電路。 --- 一般而言，轉換器可以將輸入電壓提升至20V，并且能夠向負載提供高至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(lái)穩定。芯片設計中包含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(lèi)器件亦可，因為我們只需滿(mǎn)足低輸出電流要求，儲能電容為2.2μF（最好是陶瓷電容）。輸出電容取決于輸出負載電流，如果負載電流較大且要求較小紋波，則可以增大此電容。該電路設計為向+Vout提供5mA電流。-10V由類(lèi)似電荷泵的技術(shù)產(chǎn)生，使用一個(gè)100nF 陶瓷電容由開(kāi)關(guān)電壓向負載提供能量。采用微型SOT563封裝的雙二極管，可使PCB布局簡(jiǎn)潔且占位面積有限。當然，必須使用一個(gè)額外的2.2μF儲能電容（最好是陶瓷電容）來(lái)適當濾除負極輸出上的噪聲。負極輸出能夠向負載提供

-5mA電流，但是如果相應調整C2和C3的大小，則可以支持更大的負載。

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

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

微型的高磁導率電感配合現有的電容使用（參見(jiàn)圖3），可以顯著(zhù)減小噪聲，如圖4所示。當然，PCB必須經(jīng)過(guò)仔細設計，以減小采集噪聲，并且根據不同的敏感度水平，可能強制使用多層板將噪聲減至最小。

輸出穩壓

根據應用的不同，穩定而精確的輸出電壓可能是一項強制性要求；但上面給出的簡(jiǎn)單電路因為輸出電壓取決于負載，無(wú)法滿(mǎn)足這項要求。---正電壓輸出是穩壓的，并通過(guò)表面貼裝的LM317B線(xiàn)性穩壓器進(jìn)行過(guò)載保護。兩個(gè)附加的二極管用以在電源開(kāi)通/關(guān)閉的瞬變過(guò)程中，為穩壓的LM317B提供保護。

---盡管市場(chǎng)上存在一批負電壓線(xiàn)性穩壓器，但是選擇分立解決方案可以更好地支持較小的負載電流。另一方面，這里無(wú)需過(guò)載保護電路，因為負壓輸出電流由直流/直流架構自動(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(guò)連續電流（電容C3阻隔了直流電流）。因此，對該PNP器件不存在連續正向偏置安全工作區域問(wèn)題，而小信號BC858C器件可以很好地實(shí)現這一功能。圖6所示的PSPICE仿真結果說(shuō)明了每個(gè)輸出端帶10mA負載的線(xiàn)性穩壓器的性能。