基于LTC3863的負(fù)電壓電路設(shè)計

劉勇+王曉哲

摘 要： 現(xiàn)代電子系統(tǒng)中不少電路需要負(fù)電壓作為供電或控制，而傳統(tǒng)使用變壓器電路的方法具有體積大效率低的缺點。分析了負(fù)電壓產(chǎn)生的原理，結(jié)合工程實際應(yīng)用提出一種基于LTC3863的負(fù)電壓電路設(shè)計方法，并對電路中主要器件參數(shù)進(jìn)行分析和計算。仿真及試驗結(jié)果驗證表明，該電路具有轉(zhuǎn)換效率高、體積小等特點，可以在各種嵌入式及手持終端設(shè)備中廣泛使用。

關(guān)鍵詞： 負(fù)電壓電路； 開關(guān)電源； 參數(shù)分析； 電路設(shè)計

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0101?04

Design of negative voltage circuit based on LTC3863

LIU Yong1， WANG Xiao?zhe2

（1. Shaanxi Siyu Inforation Technology Co.， Ltd.， Xian 710075， China； 2. Shaaxi Changling Electrical Co.， Ltd.， Baoji 721006， China）

Abstract： Many circuits in modern electronic systems need negative voltage as the power supply or control signals. The traditional circuits using transformers has the disadvantages of big volume and low efficiency. The principle that produces the negative voltage is analyzed in this paper. A design method of negative voltage circuit based on LTC3863 is proposed in combination with actual application in engineering. The parameters of main components in the circuit are analyzed and calculated. The simulation and experimental results show that the circuit has the characteristics of high efficiency and small size， and can be widely used in embedded and hand?held terminal systems.

Keywords： negative voltage circuit； SMPS； parameter analysis； circuit design

0 引 言

隨著電子技術(shù)的提高以及電子產(chǎn)品的發(fā)展，一些系統(tǒng)中經(jīng)常會需要負(fù)電壓為其供電。例如在LCD背光系統(tǒng)中，會使用負(fù)電壓為其提供門極驅(qū)動和偏置電壓，在部分系統(tǒng)的運算放大器中，也經(jīng)常會使用正負(fù)對稱的偏置電壓為其供電。此外還有部分集成電路如AD835等、電子開關(guān)SW276等器件，也需要負(fù)電壓供電或作為控制端。通常所說的負(fù)電壓，只是相對于零電位參考點而言。根據(jù)所選擇的參考點，可以把電壓分為正電壓和負(fù)電壓。絕大多數(shù)情況下選擇大地作為電壓的參考點（零電位），高于大地電位的就是正電壓，反之就是負(fù)電壓。當(dāng)然隨著電位參考點的變化，正負(fù)電壓的界定標(biāo)準(zhǔn)也會相應(yīng)變化。一般而言，正電壓的低電平端是零電位，也就是通常說的大地端，而負(fù)電壓則相反，大地端的零電位恰恰是負(fù)電壓的高電平端。

要從一個正電壓源產(chǎn)生一個負(fù)電壓，一般原理是通過儲能器件的反向電勢，改變流經(jīng)負(fù)載中電流的方向從而產(chǎn)生負(fù)電壓，主要方法包括采用變壓器、開關(guān)電源等。其中變壓器法體積大，效率低；開關(guān)開關(guān)電源法設(shè)計參數(shù)計算比較麻煩，分立元器件使用得多，電路體積大。本文提出一種基于LTC3863的負(fù)電壓電路設(shè)計方法，在輸入3.5～60 V的條件下，可產(chǎn)生-12 V/1 A的負(fù)電壓，該電路使用元器件種類數(shù)量少，整個電路占空間小，具有出色的靈活性和輕負(fù)載效率，特別適合于嵌入式及手持終端等設(shè)備中使用。

1 負(fù)電壓產(chǎn)生原理

在電壓變換設(shè)計電路中，開關(guān)電源（SMPS）因其高效、靈活等特點，成為工程師的首選設(shè)計方案。根據(jù)電路拓?fù)涞牟煌_關(guān)電源可以將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成不同的直流輸出電壓。實際應(yīng)用中存在多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比較常見有三種基本類型，按照功能劃分為降壓（buck）、升壓（Boost）、升/降壓（Buck?Boost或反轉(zhuǎn)）。在以上三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Buck?Boost模式能產(chǎn)生負(fù)電壓，重點對其進(jìn)行簡要分析。Buck?Boost模式電路一般都包括MOSFET開關(guān)、二極管、輸出電容和電感。MOSFET是拓?fù)渲械挠性词芸卦ǔＥc控制器連接，控制器輸出脈寬調(diào)制（PWM）方波信號驅(qū)動MOSFET柵極，控制器件的關(guān)斷或?qū)?。為了使輸出電壓保持穩(wěn)定，控制器檢測開關(guān)電源輸出電壓，并改變方波信號的占空比（D），即MOSFET在每個開關(guān)周期[（TS）]導(dǎo)通時間。D是方波導(dǎo)通時間和周期的比值[（TONTS），]直接影響開關(guān)電源的輸出電壓。MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)將電路分為兩個階段：充電階段和放電階段，充電期間電感所儲存的能量，在放電期間傳遞給輸出負(fù)載和電容上。基本電路簡化如圖1所示。

圖1 Buck?Boost模式簡化電路

在圖1中，[Vin]為輸入電源，[V1]為控制開關(guān)，[L1]為儲能電感，[V2]為整流二極管，[C2]為儲能濾波電容，[Vout]為輸出電壓。當(dāng)控制開關(guān)[V1]接通的時候，輸入電源[Vin]開始對儲能電感[L]加電，流過儲能電感[L1]的電流開始上升，上升速度[didt=VinL，]同時電流的變化在儲能電感中也會產(chǎn)生磁場；當(dāng)控制開關(guān)[V1]由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時候，儲能電感[L1]會產(chǎn)生反電動勢，使電流繼續(xù)流動，此時電流不斷下降，下降速率[didt=-VinL，]并通過整流二極管[V2]進(jìn)行整流，再經(jīng)電容儲能濾波，然后向負(fù)載提供電流輸出?？刂崎_關(guān)[V1]不斷地反復(fù)接通和關(guān)斷，在負(fù)載上就可以得到一個負(fù)極性的電壓輸出。

2 LTC3864特點及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

凌力爾特公司 （Linear Technology Corporation）的LTC3863是一款高性能的反相DC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片，能夠從一個3.5 ～60 V[的正輸入范圍產(chǎn)生一個-0.4～]

-150 V的負(fù)輸出電壓。該器件采用單電感器拓?fù)湟约耙粋€有源[P]溝道MOSFET 開關(guān)和一個二極管，其高集成度可造就一款簡單和低組件數(shù)目的解決方案。LTC3863 有卓越的輕負(fù)載效率，在用戶可編程的突發(fā)模式（Burst Mode?）操作中僅吸收70 μA靜態(tài)電流。其峰值電流模式、恒定頻率PWM架構(gòu)可提供電感器電流的正控制、簡易的環(huán)路補(bǔ)償和絕佳的環(huán)路動態(tài)特性。開關(guān)頻率能利用一個外部電阻器在50～850 kHz的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置，而且可同步至一個75～750 kHz的外部時鐘。LTC3863提供了可編程軟起動或輸出跟蹤。安全功能包括過壓、過流和短路保護(hù) （包含頻率折返）。該器件采用MSOP?12和3 mm×4 mm DFN封裝，體積極小，適用于對空間體積要求比較高的場合。

在圖2中，1管腳（PLL/MODE）是外部時鐘輸入或Burst模式的使能端，當(dāng)有脈沖接入時內(nèi)部PLL電路對其跟蹤并作為控制頻率，當(dāng)沒有外部時鐘時該管腳可作為工作模式控制端。2管腳（FREQ）是開關(guān)頻率的設(shè)置輸入端，通過連接到地電阻，選擇不同的開關(guān)頻率，也可以直接連接DC電壓作為頻率控制。3管腳（SGND）是信號地，是所有小信號模擬輸入的地平面參考，在PCB板上通常與電源地通過單點連接。4管腳（SS）是軟啟動和外部跟蹤的輸入端，通過連接到底電容設(shè)置輸出電壓的穩(wěn)定時間，也可以通過電阻連接其他電源作為軟啟動的控制端。5管腳（VFB）是輸出反饋端，通過分壓電阻設(shè)置輸出電壓的值，該點電壓如果過低，會自動降低開關(guān)頻率，防止開關(guān)周期中開的時間過短。6管腳（ITH）是電流閾值及補(bǔ)償控制端，是LTC3863內(nèi)部誤差放大器的輸出，輸出范圍為0～2.9 V。7管腳（VFBN）是反饋輸入端，通過分壓電阻分別與VFB、輸出電源連接。8管腳（RUN）是控制使能端，當(dāng)電壓大于1.26 V時控制器工作，由于內(nèi)部上拉電阻，該管腳可以懸空使用。9管腳（CAP）是內(nèi)部驅(qū)動器DRV的負(fù)驅(qū)動端，通常連接至少0.1 μF的低損耗陶瓷電容。10管腳（SENSE）是電流傳感輸入端，通過高精度傳感電阻[RSENSE]與電源[VIN]連接，設(shè)置最大限制電流。11管腳（[VIN]）是電源輸入端，也是芯片的供電端，應(yīng)至少連接0.1 μF的旁路電容到地。12管腳（GATE）是外部P溝道MOSFET的驅(qū)動DVR輸出端，內(nèi)部DVR的正負(fù)供電壓差8 V，如果小于3.5 V將不能正常工作。13腳（PGND）是電源地，通過散熱焊盤與印制板連接。

圖2 LTC3863內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 電路設(shè)計及參數(shù)計算

3.1 電路設(shè)計基本要求

按照筆者實際工作中需求，對該電路設(shè)計主要有以下設(shè)計要求：

（1） 輸入電壓：+5～+12 V；

（2） 輸出電壓：（-12±0.5） V；

（3） 負(fù)載電流：1 A；

（4） 輸出電壓紋波：1%；

（5） 輸出電壓負(fù)載調(diào)整率：1%；

（6） 轉(zhuǎn)換效率：80%（輸出電流1 A時）。

3.2 電路原理設(shè)計

按照設(shè)計要求及LTC3863的使用要求設(shè)計電路原理圖如圖3所示，該電路可從一個4.5～16 V輸入產(chǎn)生一個-12 V/1 A的輸出，工作原理類似于反激式轉(zhuǎn)換器，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時將能量存儲在電感器中，而當(dāng)開關(guān)切斷時則通過二極管將能量釋放至輸出端。為了避免當(dāng)輸出短路時由于最小導(dǎo)通時間的原因而產(chǎn)生過大的電流，該控制器在輸出小于標(biāo)稱值的一半時折返開關(guān)頻率。

圖3 電路原理圖設(shè)計

3.3 電路參數(shù)分析及計算

（1） 輸出電壓

該電路的設(shè)計輸出主要由輸出分壓電阻設(shè)置。根據(jù)LTC3863內(nèi)部VFB和VFBN之間設(shè)定固定電壓0.8 V，可知輸出電壓[Vout]與反饋電阻有如下關(guān)系：

[VOUT=-0.8? RFB1RFB2] （1）

根據(jù)輸出要求，可以設(shè)置[RFB1=]1.2 MΩ，[RFB2=]80 kΩ。

（2） 開關(guān)頻率

開關(guān)頻率、電感、電容等參數(shù)的選擇直接關(guān)系到轉(zhuǎn)換電路的效率。開關(guān)頻率如果選擇較高，可以大幅度減小電感、電容的體積，但會因MOSFET的快速轉(zhuǎn)換及損耗導(dǎo)致開關(guān)電路的效率降低。所以，以上參數(shù)的選擇都相互影響。開關(guān)頻率如果不提供外部時鐘輸入，則可通過調(diào)整2管腳（FREQ）的接地電阻值確定開關(guān)頻率，可調(diào)整范圍為50～850 kHz，如果該管腳接地則固定頻率350 kHz，該管腳懸空開關(guān)頻率為535 kHz，接地電阻與開關(guān)頻率的關(guān)系可通過查找該器件datasheet中數(shù)據(jù)確定。本設(shè)計中確定開關(guān)頻率400 kHz，通過查表得知電阻[RFREQ]為61.9 kΩ，如圖4所示。

圖4 開關(guān)頻率與頻率選擇電阻的關(guān)系

（3） 限流取樣電阻

在該電路設(shè)計中，管腳SENSE與電源[VIN]之間的電阻[RSENSE]取值決定輸出電流的大小。該電阻是一個精密取樣電阻，電感中能夠經(jīng)過的最大電流為[95 mVRSENSE，]可以根據(jù)式（2）計算該電阻的取值。通過計算及分析，該電路設(shè)計中[RSENSE]取值為16 mΩ，精度1%，額定功率0.1 W。

[IOUT（LIMIT）=95 mVRSENSE - ΔIL2?（1-D）] （2）

（4） 電感

電感值的大小影響到效率及紋波，電感值大會使得電流紋波變小，效率提升，但需要更大的體積及飽和率更高的磁芯。同時電感值也會影響到反饋環(huán)路的穩(wěn)定性，感值過大會降低環(huán)路穩(wěn)定度，也會因電流上升率緣故使電路瞬態(tài)響應(yīng)變慢。電感值的選擇可以根據(jù)公式（3）進(jìn)行初步計算，在初步計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)效率、電流、紋波等要求進(jìn)行調(diào)整，本設(shè)計中取值[L=10 μH。]

[L= VIN（MAX）2?（VOUT+VD）0.4?IOUT（LIMIT）?f?（VIN（MAX）+VOUT+VD）2] （3）

其余元器件的選型此處不再逐個分析，元器件型號及具體參數(shù)如圖2原理設(shè)計中所示。

4 仿真及驗證結(jié)果

根據(jù)圖2中原理設(shè)計，對該電路進(jìn)行仿真分析及排版驗證。在該電路中，主要通過MOSFET的通斷控制電感[L]的充電、放電過程，通過電流的反向流動產(chǎn)生負(fù)電壓。對電路中的12管腳控制端[VGATE、]電感正端的電壓[VL、]電感中的電流[IL、]電壓輸出[VOUT]分別進(jìn)行測試，其波形如圖5所示，可以看出電感[L]的隨[VGATE]的充放電過程。

該電路可以通過PLL/MODE選擇工作在Burst模式或Pluse?Skipping模式。當(dāng)PLL/MODE管腳懸空時，電路工作在Burst模式下，如果[VFB]比參考電壓高，芯片內(nèi)部的誤差放大器將會自動降低ITH腳的電壓，當(dāng)ITH腳電壓低于0.425 V時會自動進(jìn)入休眠模式，該模式下大部分內(nèi)部電路將會被關(guān)閉，直至外部電壓降低至能夠關(guān)閉該狀態(tài)。當(dāng)PLL/MODE管腳接地時，電路工作在Pluse?Skipping模式下，芯片內(nèi)部ICMP電路將會使外部MOSFET保持開關(guān)狀態(tài)，該模式下輸出電壓的紋波、噪聲幅度都比較小，對射頻干擾也比較小，但是轉(zhuǎn)換效率沒有Burst模式高。兩種工作模式下轉(zhuǎn)換效率的比較如圖6所示。

圖5 電路測試點電壓、電流波形圖

5 結(jié) 語

負(fù)電壓產(chǎn)生電路在電子線路設(shè)計中經(jīng)常用到，本文設(shè)計了一種基于LTC3863的負(fù)電壓電路，在輸入3.5～60 V的條件下，可產(chǎn)生-12 V/1 A的負(fù)電壓，經(jīng)測試該電路能夠達(dá)到使用要求，并在筆者實際工程中已經(jīng)成熟使用。該電路使用元器件種類數(shù)量少，整個電路占空間小，具有出色的靈活性和輕負(fù)載效率，特別適合于嵌入式、手持終端等設(shè)備中使用。

圖6 兩種工作模式下轉(zhuǎn)換效率比較

參考文獻(xiàn)

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[IOUT（LIMIT）=95 mVRSENSE - ΔIL2?（1-D）] （2）

（4） 電感

電感值的大小影響到效率及紋波，電感值大會使得電流紋波變小，效率提升，但需要更大的體積及飽和率更高的磁芯。同時電感值也會影響到反饋環(huán)路的穩(wěn)定性，感值過大會降低環(huán)路穩(wěn)定度，也會因電流上升率緣故使電路瞬態(tài)響應(yīng)變慢。電感值的選擇可以根據(jù)公式（3）進(jìn)行初步計算，在初步計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)效率、電流、紋波等要求進(jìn)行調(diào)整，本設(shè)計中取值[L=10 μH。]

[L= VIN（MAX）2?（VOUT+VD）0.4?IOUT（LIMIT）?f?（VIN（MAX）+VOUT+VD）2] （3）

其余元器件的選型此處不再逐個分析，元器件型號及具體參數(shù)如圖2原理設(shè)計中所示。

4 仿真及驗證結(jié)果

根據(jù)圖2中原理設(shè)計，對該電路進(jìn)行仿真分析及排版驗證。在該電路中，主要通過MOSFET的通斷控制電感[L]的充電、放電過程，通過電流的反向流動產(chǎn)生負(fù)電壓。對電路中的12管腳控制端[VGATE、]電感正端的電壓[VL、]電感中的電流[IL、]電壓輸出[VOUT]分別進(jìn)行測試，其波形如圖5所示，可以看出電感[L]的隨[VGATE]的充放電過程。

該電路可以通過PLL/MODE選擇工作在Burst模式或Pluse?Skipping模式。當(dāng)PLL/MODE管腳懸空時，電路工作在Burst模式下，如果[VFB]比參考電壓高，芯片內(nèi)部的誤差放大器將會自動降低ITH腳的電壓，當(dāng)ITH腳電壓低于0.425 V時會自動進(jìn)入休眠模式，該模式下大部分內(nèi)部電路將會被關(guān)閉，直至外部電壓降低至能夠關(guān)閉該狀態(tài)。當(dāng)PLL/MODE管腳接地時，電路工作在Pluse?Skipping模式下，芯片內(nèi)部ICMP電路將會使外部MOSFET保持開關(guān)狀態(tài)，該模式下輸出電壓的紋波、噪聲幅度都比較小，對射頻干擾也比較小，但是轉(zhuǎn)換效率沒有Burst模式高。兩種工作模式下轉(zhuǎn)換效率的比較如圖6所示。

圖5 電路測試點電壓、電流波形圖

5 結(jié) 語

負(fù)電壓產(chǎn)生電路在電子線路設(shè)計中經(jīng)常用到，本文設(shè)計了一種基于LTC3863的負(fù)電壓電路，在輸入3.5～60 V的條件下，可產(chǎn)生-12 V/1 A的負(fù)電壓，經(jīng)測試該電路能夠達(dá)到使用要求，并在筆者實際工程中已經(jīng)成熟使用。該電路使用元器件種類數(shù)量少，整個電路占空間小，具有出色的靈活性和輕負(fù)載效率，特別適合于嵌入式、手持終端等設(shè)備中使用。

圖6 兩種工作模式下轉(zhuǎn)換效率比較

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[IOUT（LIMIT）=95 mVRSENSE - ΔIL2?（1-D）] （2）

（4） 電感

電感值的大小影響到效率及紋波，電感值大會使得電流紋波變小，效率提升，但需要更大的體積及飽和率更高的磁芯。同時電感值也會影響到反饋環(huán)路的穩(wěn)定性，感值過大會降低環(huán)路穩(wěn)定度，也會因電流上升率緣故使電路瞬態(tài)響應(yīng)變慢。電感值的選擇可以根據(jù)公式（3）進(jìn)行初步計算，在初步計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)效率、電流、紋波等要求進(jìn)行調(diào)整，本設(shè)計中取值[L=10 μH。]

[L= VIN（MAX）2?（VOUT+VD）0.4?IOUT（LIMIT）?f?（VIN（MAX）+VOUT+VD）2] （3）

其余元器件的選型此處不再逐個分析，元器件型號及具體參數(shù)如圖2原理設(shè)計中所示。

4 仿真及驗證結(jié)果

根據(jù)圖2中原理設(shè)計，對該電路進(jìn)行仿真分析及排版驗證。在該電路中，主要通過MOSFET的通斷控制電感[L]的充電、放電過程，通過電流的反向流動產(chǎn)生負(fù)電壓。對電路中的12管腳控制端[VGATE、]電感正端的電壓[VL、]電感中的電流[IL、]電壓輸出[VOUT]分別進(jìn)行測試，其波形如圖5所示，可以看出電感[L]的隨[VGATE]的充放電過程。

該電路可以通過PLL/MODE選擇工作在Burst模式或Pluse?Skipping模式。當(dāng)PLL/MODE管腳懸空時，電路工作在Burst模式下，如果[VFB]比參考電壓高，芯片內(nèi)部的誤差放大器將會自動降低ITH腳的電壓，當(dāng)ITH腳電壓低于0.425 V時會自動進(jìn)入休眠模式，該模式下大部分內(nèi)部電路將會被關(guān)閉，直至外部電壓降低至能夠關(guān)閉該狀態(tài)。當(dāng)PLL/MODE管腳接地時，電路工作在Pluse?Skipping模式下，芯片內(nèi)部ICMP電路將會使外部MOSFET保持開關(guān)狀態(tài)，該模式下輸出電壓的紋波、噪聲幅度都比較小，對射頻干擾也比較小，但是轉(zhuǎn)換效率沒有Burst模式高。兩種工作模式下轉(zhuǎn)換效率的比較如圖6所示。

圖5 電路測試點電壓、電流波形圖

5 結(jié) 語

負(fù)電壓產(chǎn)生電路在電子線路設(shè)計中經(jīng)常用到，本文設(shè)計了一種基于LTC3863的負(fù)電壓電路，在輸入3.5～60 V的條件下，可產(chǎn)生-12 V/1 A的負(fù)電壓，經(jīng)測試該電路能夠達(dá)到使用要求，并在筆者實際工程中已經(jīng)成熟使用。該電路使用元器件種類數(shù)量少，整個電路占空間小，具有出色的靈活性和輕負(fù)載效率，特別適合于嵌入式、手持終端等設(shè)備中使用。

圖6 兩種工作模式下轉(zhuǎn)換效率比較

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