像双端传感器和音频放大器这样的应用都需要负操作电压。一个需要负轨道的系统，其典型的例子就是仪表应用的信号通路。现实中的信号通常需要一直到零伏都可以加以测量，如果运行的放大器测量由正电压和接地提供的信号则不可能。使用运行放大器的正电源和负电源可以支持精确测量完整范围的信号。

产生负电压最为轻松的方式之一便是，向一个当前基于变压器的电源添加额外的绕组。然而，这对于一个在设计中无法容纳变压器的系统似乎是不可能实现的。例如，多种仪表系统旨在提供外部交流电转换器为主板提供一个 12VDC 或 24VDC 电压。这可以降低系统的规格和成本。在这样的系统中，负电压必须是由当前的正轨产生。出于这个目的，本文介绍了同步降压调节器的使用。同步降压调节器是完美的解决方案选择，因为它是一种高效的拓扑结构，且如今的集成式 FET 降压调节器使用最少的外部组件。

使用降压调节器产生负电压

为了通过正输入电压产生负输出电压，设计人员通常选择降压-升压拓扑结构或者可能使用 SEPIC 转换器，这两种方式均可提供适当的效率，远比线性调节器的效率要高。这种设计理念表明使用降压转换器可以达到同样的结果。对同步降压转换器参考节点稍微修改一下，我们便可得到负的降压转换器，如图 1 所示。

图1 – a) 同步降压 b) 负输出降压

这个主要基于 SiP12116 同步降压变换器构建而成。COT 拓扑结构的使用允许用户开发极为简单的电源，无需补偿。该降压转换器通过内部低端 MOSFET 可以产生电流斜坡反馈，因此所需的外部组件为功率感应滤波器、输入电容去耦和自举电容器。

图2 – 负输出降压拓扑结构

电路的控制与标准降压转换器的控制是相同的；然而，感应器从VOUT 到 0V 的节点连接变化上存在着关键的差异，这会导致电路电流的改变。这随之会产生负输出电压；IC 的 0V 现在变成负输出电压。

图3 – 图2的节点波形模拟

MOSFET 驱动器波形可以参见图 3，它与标准降压转换器类似。LX 电压也如图所示。LX 波形范围介于 -3.3V 到 +12V 之间，低端 MOSFET 打开时其幅度大多介于 -3.3V 到 0V 之间。下一个轨迹代表着输出电压 -3.3V。

接下来可以查看感应器电流，它大约为 0A；模拟中没有负荷。接下来出现的是关键波形 — IM1 和 IM2 — 它指示了电路中的电流。注意这些波形以 0V 为基准。

电流通过高端 MOSFET 从 +V 流到 0V；然而，电流正从正流向负，因此它是在下降，在 IM1 轨迹中可以看到。当 M1 切断且 M2 接通时，电流从 –V 流到 0V。这在增长的电流中可以看到，同时由于 0V 为基准点，MOSFET M2 所示为下降的电流。

为了确定工作周期，降压转换器的维护方式是类似的。但是，感应器的电压现在将是 Vin + |Vout|，

剩余的计算与标准降压转换器是类似的。

电路的整体设计技术规格如下所示：VIN = 12V，VOUT = -3.3V，Fsw= 600khz，Iout = 3A，Vripple = 150mV，Vin_ripple = 100mV。

同步降压转换器可以感应低端 MOSFET 的电流，因此这个信号需要相当大，以便从所有存在的系统噪声中显现出来。这种方法使用大的斜波电流，设定为负荷电流的 40%。这还可以允许用户缩小感应器的规格。在这一点上值得注意的是，在系统运行 COT 拓扑结构时，控制器的计算相对简单，同时通过低端 MOSFET 可以内部推导出控制电流，需要设计计算的几个外部零件除外。

表1 – 设计计算

图4 – 原理图

该原理图所示为节点基准 VOUT 变为 0V 以及 0V 变为 –VOUT 的变化。有一点必须确保的是，输入到 0V 之间需要去耦，输入到 –VOUT 之间有些需要去耦。

图5 – 测试条件下的效率测量：

VIN = 12V，5V，VOUT = -3.3V，

Fsw = 600kHz，L = 3.3µH

结论

对于需要负电源而且系统中只有正电源的应用，同步降压调节器可以提供简单和高效的方法，从而产生这样的电源。本文介绍了操作理论、原理图和性能数据，以帮助设计人员快速实施可以执行这种功能的电路。可以产生输出电压的范围限幅取决于所使用的设备。例如，SiP12116 的最大工作电压为 16V。因此配合 12V 输入，它可以产生高达 -4V 的输出。然而，如果输入电压为 5V，它可以产生高达 -11V 的 –ve 输出。在所示的例子中，使用 12V 电源产生了 -3.3V 的输出，效率超过 90%，并且证明了使用降压调节器产生负电源电压的效率和优势。