在產品設計、電子電路應用中，會經常使用到負電壓電源。

如常見的PC電源中，通常會用到負壓電源 為串口提供邏輯判斷電平 ；

在單板設計中如運放、IGBT驅動、傳感器等應用中也可能使用到負壓電源；

在音響設備中， 震蕩和反饋電路都需要負壓電源 ，以此增加它的動態范圍；

常閉型 氮化鎵場效應晶體管 (GaN射頻功率管)也需要采用單獨的負電源。

一、如何產生負壓

常見的正電壓輸入負電壓輸出的方法有三種:

使用charge pump方式

此應用所需外圍器件少，但負載能力較弱，輸出功率極小，電壓精度低。

使用Buck-Boost電路

此方式成本較高。

使用反激電路

需要采用變壓器隔離繞組反接輸出，因此設計較為復雜，但可以同時輸出多路正負電源，在同時需要多種正負壓電源時此方案較為適用。

本文將介紹一種使用通用的Buck芯片直接生成負壓的解決方案，簡單易用，且目前通用的Buck芯片負載能力可達幾十安培、輸入電壓范圍已覆蓋幾伏至上百伏，應用覆蓋范圍廣。

二、Buck芯片負壓使用

芯洲科技 SCT24xx （40V耐壓、0.6A-6A負載能力）、 SCT26xx （60V耐壓、0.6A-5A負載能力）等一系列40V、60V等芯片均可實現正壓轉負壓輸出。

圖3 SCT2430電路圖

如圖3所示，負壓輸出和正壓輸出，外圍器件數量和框架基本一樣，所有的元器件保持原位，電感的輸出端接至大地，形成一個新的電位，原本的大地作為輸出，設計簡單。

圖4 負壓輸出工作狀態

如圖4所示，假設Q1導通壓降為VQ1，Q2導通壓降為VQ2，在Q1開通（ton）期間和關斷（toff）期間，電感L1上的電壓如下：

Von = Vin - VQ1

Vof = -Vout + VQ2

根據伏秒平衡原則：

Von × ton = Voff × toff，同時因Q1、Q2導通壓降遠遠小于Vin、Vout，因此VQ1、VQ2可忽略，由此得出：

根據以上公式可得出工作占空比D為：

如圖5，24V輸入轉-12V輸出，占空比約33%，實測與理論計算基本匹配。

因此：Vo=- Vin×D/(1-D)

由上可知，輸出電壓的絕對值即可以大于輸入電壓也可以小于輸入電壓，結合其工作狀態示意圖可以看出，其本質已不再工作在buck狀態，而是 buck-boost狀態 ，因此實際應用時外圍器件選型、負載能力不可再按照buck電路來進行選型和設計。

三、設計中的注意事項

1. 負壓輸出時芯片可支持的最高工作電壓不再是芯片規格書標稱的最大值，可按照公式Vin = Vin_max - | Vout |評估。

以SCT2630為例，正壓輸出應用中芯片可支持的最高輸入工作電壓為60V，而當輸出電壓為-5V時，則芯片可支持的最高輸入工作電壓

Vin= 60V - |-5V| = 55V

2. 輸入電容的耐壓選擇、若使用非同步整流芯片（如SCT2630）時的續流二極管耐壓選擇也需參考如上第一條 留足降額；
3. 由于在Q1導通期間，輸入沒有向輸出提供能量，此時主要是輸出電容給負載供電；只有在Q1關斷Q2導通期間，由電感提供能量給負載同時給輸出電容充電，輸入輸出均不連續，因此輸入輸出紋波電壓比正壓輸出時略大；
4. 因為電感電流是疊加的，所以負壓輸出應用時芯片最大輸出電流≤標稱值的一半；
5. 底部帶散熱焊盤的芯片，PCB布局時建議底部散熱焊盤接Vout，不建議接單板GND。

如下圖為SCT2630：輸入24V，負載2A，輸出+12V、-12V實測數據對比：

圖7 24V輸入，+12V輸出

圖8 24V輸入，-12V輸出

方案總結

采用通用的buck降壓轉換器實現負壓輸出，設計簡單易用，綜合成本、性能、體積在負壓應用場景中的性價比較高。