在電路設(shè)計領(lǐng)域，負電壓電路是一個關(guān)鍵且復(fù)雜的部分。本文將系統(tǒng)且深入地闡述負電壓電路產(chǎn)生的原理、應(yīng)用價值，并詳細介紹兩種常用的設(shè)計實現(xiàn)方案。這兩種方案均能成功實現(xiàn) 5V 轉(zhuǎn) - 5V 輸出，其中電荷泵方案紋波更小，DCDC 方案承載能力更強，為不同需求場景提供了明確的選型依據(jù)。通過原理 - 方案 - 實測的全鏈路解析，為負電壓電路設(shè)計提供極具可復(fù)用性的技術(shù)指南。

在電路設(shè)計過程中，負電壓的應(yīng)用場景十分常見，例如運放電路。那么，究竟什么是負電壓？其產(chǎn)生原理又是什么呢？接下來將為大家一一解答，同時還設(shè)計了兩款負電壓電路，方便大家在實際應(yīng)用中使用。大家也可參考得捷 B 站的相關(guān)視頻 “負電壓是怎么來的？2 個經(jīng)典負電壓電路詳解”。

什么是負電壓

電壓是衡量兩點之間電勢差的物理量。當(dāng)提及某一點的電壓是 “+ 5V” 或 “ - 5V” 時，必須明確這是相對于哪個參考點而言的。這個參考點通常被稱為 “地” 或 “0V”，它可以是一個公共接地點、電源的負極，也可以是電路中任意選定的一點作為參考基準(zhǔn)。

如果一個點相對于參考點的電位更低，那么該點的電壓就是負的。以一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)的 1.5V 電池為例，如果定義電池的負極為參考點（0V），那么正極相對于負極就是 + 1.5V；若定義電池的正極為參考點（0V），那么負極相對于正極就是 - 1.5V。電池電壓本身并未改變，兩極之間始終保持 1.5V 的電位差，但參考點的選擇決定了每個點電壓的正負。

負電壓的應(yīng)用場景

負電壓在眾多應(yīng)用場景中都發(fā)揮著重要作用。在放大器電路方面，如信號調(diào)理模塊、傳感器接口電路等運放電路，以及一些精密儀器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備中的生物電信號處理，運算放大器需要對稱的正負電源，以確保信號能在零電平上下波動，實現(xiàn)高精度放大或濾波。

通信系統(tǒng)中，RS - 232 接口使用 - 3V ~ - 15V 表示邏輯 “1”， + 3V ~ + 15V 表示邏輯 “0”，這樣的正負電壓差遠大于噪聲干擾，增強了長距離傳輸時的抗干擾能力。

音頻設(shè)備里，高保真功放、音響系統(tǒng)中常見的 B 類音頻放大器，需要正負電源驅(qū)動輸出級晶體管，以消除交越失真。

航空航天設(shè)備方面，飛行器舵機控制器、傳感器模塊中的驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)或處理傳感器信號時需要負電壓供電，以確保系統(tǒng)的抗干擾能力。

測量儀器，如示波器、信號發(fā)生器、頻譜儀等，使用負電壓為模擬前端（AFE）和高精度 ADC 提供雙極性電源，保證信號的動態(tài)范圍和線性度。此外，顯示設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、功率電子器件驅(qū)動等也都需要負電壓。

負電壓是如何產(chǎn)生的

負電壓產(chǎn)生的本質(zhì)是通過儲能元件（電容或電感）改變參考點的電位。其原理主要有兩種：

• 電荷泵原理：利用電容電壓極性翻轉(zhuǎn)特性，將正電壓 “搬移” 為負電壓。在實際應(yīng)用中，為減小二極管的壓降影響，可選用壓降較低的肖特基二極管。電荷泵的輸出電壓依賴輸出電容所儲存的能量，所以一般不用于大電流電路，常用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輔助電壓輸出。
• 反極性 Buck - Boost 拓撲：通過開關(guān)控制電感電流方向，實現(xiàn)電壓極性反轉(zhuǎn)。電源控制器通過控制 mos 管的 G 極電壓來實現(xiàn)對開關(guān)管的通斷。當(dāng) mos 管閉合導(dǎo)通時，電感充電；關(guān)斷時，電感給電容充電并為負載供電，通過不斷控制開關(guān)管的開與關(guān)，使輸出持續(xù)為負電壓。

負電壓電路實測

在介紹了兩種基本的負電壓電路原理后，我們設(shè)計了兩個負電壓電路進行實測。

• 電荷泵方案：采用 TI 的 TPS60403 電荷泵電壓反相器芯片。這類集成式芯片具有電壓精度高、紋波小且體積小的優(yōu)點。除了 TPS60403，還有 TI 的 LM27762、ADI 的 LTC3265、MAX1673 等芯片可供選擇。TPS60403 通過內(nèi)部開關(guān)周期翻轉(zhuǎn)外部電容器連接實現(xiàn)電壓反轉(zhuǎn)，無需電感器，支持 1.6V 至 5.5V 寬輸入范圍，兼容多種電池或穩(wěn)壓電源，輸出電流 60mA，典型轉(zhuǎn)換效率 > 90%，固定 250kHz 開關(guān)頻率降低了噪聲設(shè)計復(fù)雜度，僅需 3 個 1μF 外部電容器（推薦 X5R/X7R 陶瓷電容）就可構(gòu)建完整逆變電路。設(shè)置輸入電源為 + 5V，實測輸出電壓為 - 5V。
• DCDC 方案：選用經(jīng)典的 DCDC 轉(zhuǎn)換器 TPS5430。它本質(zhì)是降壓型 DC - DC 轉(zhuǎn)換器，通過反向升降壓拓撲可實現(xiàn)負電壓輸出，只需對其電路接地端進行調(diào)整，將原 GND 引腳改為負壓輸出端（ - Vout），原 VOUT 引腳接地。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，電感充電，負載由輸出電容供電；開關(guān)關(guān)斷時，電感給電容充電并為負載供電，輸出持續(xù)為負電壓。由于 TPS5430 是降壓型 DC - DC 轉(zhuǎn)換器，使用時要求輸入電壓的大于輸出電壓的，設(shè)置輸入電源為 + 5.5V，實測輸出電壓為 - 5V。