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電路中，很多地方需要負電壓。本文介紹如何使用異步降壓開關穩壓芯片（Asynchronous Buck/Step-Down Switching Regulator）產生負電壓的方法。

電感產生負電壓的原理

反相升降壓（Inverting Buck-Boost）電路。它利用了電感“電流不能突變”的特性，像一個抽水機一樣，把電荷從輸出端“抽”向地，從而產生負電壓。

Inverting Buck-Boost電路

我們可以分兩個階段來拆解這個過程：

階段一：開關 S1 閉合（儲能階段）

回路：電流從 VIN (5V) 流出，經過開關 S1，直接流向電感 L1，最后回到系統地（GND）。

電感狀態：此時電感 L1 兩端的電壓為上正下負。電感開始“充能”，電流線性上升，能量以磁場的形式存儲在 L1 中。

二極管狀態：由于 SW 點的電位是 5V，而輸出端 VOUT 此時是負壓（或 0V），二極管 D1 處于反向截止狀態，輸入端的電流不會流向輸出端。

開關閉合電感儲能

階段二：開關 S1 斷開（放電/產生負壓階段）

物理特性：當 S1 突然斷開，電感 L1 為了維持電流方向不變（電流必須繼續向下流向地），它會瞬間改變自身的電壓極性。

極性翻轉：此時電感 L1 變成了一個“電池”，它的上端（SW點）變成了負電位。

回路：為了維持電流，它必須從外界“吸”電流。由于 S1 斷開，電流只能從 VOUT 經過二極管 D1 抽過來。

路徑：VOUT → D1 → L1 → GND。

結果：電流從輸出電容 C1 的上極板被“抽走”，導致 VOUT 上的電荷減少，電位持續下降，最終跌破 0V 變成負電壓。

開關斷開電感抽真空

Buck降壓典型電路

可將降壓型穩壓芯片配置為反相降壓-升壓（Inverting Buck-Boost）拓撲結構，使輸出電壓相對于地為負值。

學習產生負壓前先看下異步降壓型開關穩壓芯片典型電路。

異步降壓型開關穩壓芯片典型電路

什么是“異步”？

在開關穩壓電路中，通常有兩個“開關”。

同步（Synchronous）：內部集成兩個 MOSFET 輪流導通。

異步（Asynchronous）：內部只有一個高壓側開關管（上管），而在低壓側使用一個外部二極管（D1）進行續流。上圖中的1N5817 肖特基二極管就是這個“異步”組件。

異步降壓電路的工作就像是一個不斷開關的水龍頭和一個小水桶（電感）。

Buck芯片內部的開關管充當開關

圖a是開關導通階段，圖b是開掛斷開階段。

第一階段：開關導通（ON）

路徑：芯片 LT1616 內部的開關管閉合，電流從VIN流向SW引腳，經過L1，流向VOUT和負載。

儲能：電流流過電感 L1 時，電感會產生磁場儲存能量。

二極管狀態：此時 SW 點電壓接近 VIN（5V），二極管 D1 處于反向截止狀態，不工作。

第二階段：開關斷開（OFF）

慣性續流：內部開關斷開，VIN 被切斷。但電感 L1 具有“電流不能突變”的特性，它會產生一個感應電動勢來維持電流繼續流動。

回路：電流會從GND出發，穿過二極管 D1，流過L1補充給輸出端。

二極管作用：此時 D1 導通，充當了電流回歸的“單向閥門”。這就是“異步續流”過程。

也可以把 L1、C1 理解為 LC 濾波電路。

輸出電壓和輸入電壓的關系如下：

輸入和輸出的關系

其中，D 是占空比。

Buck電路產生負電壓

將異步 Buck 降壓典型電路做如下改動，可以使之產生負電壓：

對調電感和二極管

把芯片的 GND 接到輸出 VOUT 上

對調電感和二極管

對于上面兩個改動，也有一些學者將其描述為對調輸出 VOUT 和 芯片 GND:

對調VOUT和GND

其實，上面兩個電路是一樣的。

使用異步降壓（Buck）芯片產生負電壓，其核心原理是將標準的Buck 拓撲巧妙地重構成反相升降壓（Inverting Buck-Boost）拓撲。

工作過程分為兩個階段：

階段一：內部開關導通（儲能階段）

路徑：芯片內部開關管閉合，電流從流入，通過 SW 引腳進入電感，最后流向系統地。

能量轉換：此時電感兩端電壓為上正下負。電流線性上升，電感以磁場形式儲存能量。

二極管狀態：此時 SW 點為高電平，二極管處于反向截止狀態。

階段二：內部開關斷開（放電/抽電階段）

電流續流：當開關斷開時，由于電感電流不能突變，電感會產生感應電動勢以維持原方向的電流（向地流動）。

極性翻轉：為了維持電流，電感上端的電位（SW 點）會瞬間被拉低，跌破 0V 變成負電位。

回路形成：電流迫使二極管導通。此時，電感從輸出電容中“抽走”電荷。

路徑：。

結果：由于電荷被持續抽向地，輸出端對地形成負電壓。

輸出電壓和輸入電壓的關系如下：

輸出電壓和輸入電壓的關系

芯片如何實現自我管理？

在負電壓這種接法下，芯片被“欺騙”了，但它依然能穩定工作：

工作電源：芯片看到的輸入電壓不再是，而是 ****（因為芯片 GND 接在上）。例如，輸入 5V，輸出 -5V，芯片實際承受的壓力是 10V。

反饋控制：反饋電阻接在系統地與 FB 之間，接在 FB 與芯片 GND（即）之間。芯片通過維持 FB 引腳相對于其自身 GND 引腳的電壓穩定，從而實現了對負輸出電壓的精確調節。

關鍵設計注意事項

耐壓極限：選擇芯片時，必須確保其額定最大電壓大于，否則芯片會燒毀。

輸入輸出不共地：輸入電源的地（Vin）和系統基準地（GND）不再是同一點。

電容極性：如果使用電解電容，務必檢查 VOUT 濾波電容的極性方向。

電流能力：在負壓模式下，電感平均電流為輸入電流與負載電流之和，這比普通降壓模式要大，需選用飽和電流更高的電感。

異步優勢：使用如 LT1616 這樣的異步芯片（帶外部續流二極管）在改負壓時非常方便，因為外部二極管的極性可以自由調整。

總結

拓撲演變：通過將異步 Buck 芯片的 GND 和輸出端V OUT 對調，可以將Buck（降壓）結構重構為Inverting Buck-Boost（反相升降壓）。

能量守恒：

開關導通時：電感 L1 向系統地儲能，此時輸出端由電容供電。

開關斷開時：電感產生反向感應電動勢，通過二極管從 VOUT “抽走”電荷流向地，從而在 VOUT 形成負電位。

設計核心：

芯片 GND 懸?。盒酒膮⒖茧娢蛔優榱素撾妷?，因此輸入耐壓必須滿足。

異步優勢：異步芯片外接的續流二極管方便極性對調，是實現該電路最簡便的選擇。