1、如何理解負電壓？

 

從概念上講，負電壓是一個物理學名詞，電壓的大小是相對于選擇的參考而言的，當實際電壓低于比較電壓時，電壓值為負。

 

說白了就是根據(jù)所選擇的參考點，把電壓分為正電壓和負電壓。通常情況下會選擇大地作為電壓的參考點，也就是所謂的零電位。高于大地電位的是正電壓，反之就是負電壓。

 

當然，隨著電位參考點的變化，正負電壓的界定標準也會相應變化。一般來說，正電壓的低電平端是零電位，也就是通常說的大地端；而負電壓則相反，大地端的零電位恰恰是負電壓的高電平端。

 

2、為何選用負電壓？

 

隨著電子技術的提高以及電子產品的發(fā)展，一些系統(tǒng)中經常會需要負電壓為其供電。但你知道為什么有些測試設備選用負電壓測試，而有些設備要選用負電壓供電嗎？

 

首先，使用負電壓測試原理或是負電壓供電，可以避免設備在測試或使用過程中因電子積聚而產生大電流損壞測試設備和電子部件。

 

因為電子是帶負電荷的，它會向正電壓方向（高電位端）流動，電子的流動也就形成為電流。使用負電壓時，過多的電子因為負電荷的緣故，會聚集到負電壓的高電平端，也就是設備電源的接地端，而不會聚集在測試設備上。這樣一來，設備因電子聚集而產生電流燒壞設備的機率就大大降低，設備的穩(wěn)定性能就相應有所提高，設備的穩(wěn)定性，直接決定了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量的精確一致度。

 

其次，根據(jù)物理學上電磁場的特性，使用負電壓可以在一定程度上避免電磁方面的干擾，這對于系統(tǒng)測試微安級或是更小級別的電信號時是有有益幫助的，能夠提高系統(tǒng)測試毫歐級的小電阻的精確度。而對于使用負電壓供電的設備，則可以提高設備的抗電磁干擾能力。

 

第三，根據(jù)電工學知識，我們知道，相較于正電壓，負電壓對人體和電子產品的安全性能也好于正電壓。

 

任何事物，都有其兩面性，我們并不能因為它有某些方面的優(yōu)點，就說它是完美的，同樣的，負電壓也不例外。相較于正電壓，負電壓的不足亦很明顯。

 

簡單來說，由于我們現(xiàn)實中使用的電壓大多都是正電壓，這樣，產生不同量級的正電壓，相對于負電壓來說，則要容易的多，所花費的成本也要低的多。

 

3、如何產生負電壓？

 

各位工程師在設計電路時，可能會遇到需要負電壓供電的系統(tǒng)，比如使用負電壓為IGBT提供關斷負電壓、運放系統(tǒng)中用正負對稱的偏置電壓供電。那么，該如何產生一個穩(wěn)定可靠的負電壓呢？以下這幾種方法僅供參考：

 

一是，電荷泵提供負壓。TTL電平/232電平轉換芯片（如MAX232、MAX3391等）是最典型的電荷泵器件，可以輸出較低功率的負壓。但有些LCD要求-24V的負偏壓，則需要另外想辦法。可用一片max232為LCD模塊提供負偏壓。TTL-in接高電平，RS232-out串一個10K的電位器接到LCM的VEE。這樣不但可以顯示，而且對比度也可調。 MAX232是＋5V供電的雙路RS-232驅動器，芯片的內部還包含了+5V及±10V的兩個電荷泵電壓轉換器。

 

設計高壓電荷泵需要較多的開關，用分離元件實現(xiàn)起來就有點困難了，不如用電感來得簡單。一般來說，1個三極管或MOSFET，1個比較器或通用運放（做PWM振蕩），1個電感，1個肖基特二極管和若干阻容元件就可以搞定。如果你的MCU自身帶有PWM接口，且軟件允許的話，那就更簡單了。

 

二是，反相器提供負壓。反相器的輸出接一個電容C1，C1的另一端接二極管D1的正極和二極管D2的負極，D1的負極接地，D2的負極接電容C2，C2的另一端接地。C2的容量要大于C1。

 

例如，C1用0.1μF，C2用 0.47μF，當然最佳數(shù)值可由試驗確定。反相器的輸入端加一個方波，其幅值應該能使反相器正常工作，那么在反相器的輸出端就出現(xiàn)一個相位相反的方波。電容C2上就會出現(xiàn)一個負電壓，理論上比電源電壓低0.7V,然后再穩(wěn)壓到-5V。

 

三是，負壓電源轉換器產生負壓。MAX749是一個專門用來產生負電壓的電源轉換器。 MAX749為倒相式PFM開關穩(wěn)壓，輸入電壓+2V至+6V，輸出電壓可達-100V以上，可通過內部的D/A轉換器進行調節(jié)，或者通過一個PWM信號或電位器進行調節(jié)。

 

MAX749采用一種電流控制方法，既減小了靜態(tài)電流消耗，又提高了轉換效率。關斷方式下,靜態(tài)電流僅為15mA。MAX749在關斷方式下仍保持DAC的設定值，從而簡化了軟件控制。

 

使用MAX749產生負壓時，應注意外圍元件的選擇，這里特別說明幾點：

 

•晶體管：可以用PNP晶體管或P溝道MOSFET。前者經濟，使用簡單；后者能提供更大電流，且轉換效率較高，但往往需要較高的輸入電壓（通常要求 +5V或 +5V以上）。如使用2SC8550三極管，可以提供較大的輸出電流。

 

• RSENSE：RSENSE是一個微阻值的檢測電阻，可以用一小段康銅絲代替，但不能直接用0Ω電阻短路。RSENSE的大小與輸出電流成反比關系，因此可根據(jù)電流需要確定RSENSE的最大值，但為了保證轉換效率,不宜取得過小。一般在輸出電壓為-24V的情況下，要求輸出電流為0.5A左右時, 可取RSENSE=0.25Ω，輸出電流為0.8A左右時，可取RSENSE=0.2Ω。

 

•RBASE ：RBASE應足夠小以保證晶體管能處在飽和狀態(tài),但RBASE太小又降低了轉換效率,通常在160Ω~470Ω之間取值。

 

•另外，電感L的感值在22-l00mH之間，通常取47mH，為提高效率，電感的內阻要小，最好在300mΩ以下；二極管可用IN5817-IN5822系列快恢復二極管；CCOMP取決于RFB及電路布局,通常在100pF-l0nF之間取值。

 

四是，專用DC/DC電壓反轉器提供負壓。ME7660是一種DC/DC電荷泵電壓反轉器，采用AL柵 CMOS工藝設計。該芯片能將輸入范圍為+1.5V至+10V的電壓轉換成相應的-1.5V至-10V的輸出，并且只需外接兩只低損耗電容,無需電感。芯片的振蕩器額定頻率為10KHZ，應用于低輸入電流情況時，可于振蕩器與地之間外接一電容，從而以低于10KHZ的振蕩頻率正常工作。

 

ME7660轉換器的特點如下：

 

•轉換邏輯電源+5V為±5V雙相電壓；

•輸入工作電壓范圍廣：1.5V-10V；

•電源轉換效率高：98%; 

•低功耗：靜態(tài)電流為90μA（輸入5V時）；

• ME7660轉換器多用于LCD、接口轉換器及儀表等場合。

 

五是，輸出正電壓的DC/DC轉換器產生負壓。除了上述方法之外，也可用一些輸出正電壓的DC/DC轉換器產生負壓，比如降壓型開關穩(wěn)壓器LM2596等，只需以GND為參考鎖住反向調節(jié)器，在輸出參考等方面稍作改變就可以了。由于GND端不是接地而是接到負輸出電壓端上，所以需要相應的電平轉換裝置，比如光藕或三極管。

 

總而言之，負電壓設計方案多種多樣，哪一個方案更適合你的設計，還要綜合考慮不同應用、不同技術要求而定。