如何得到负电压

负电压在电子电路中扮演着至关重要的角色，尤其在运算放大器供电、通信接口电平转换以及特定模拟电路设计中不可或缺。获取负电压的方法多样，从简单的电荷泵电路到精密的开关电源方案，每种技术都有其独特的应用场景和性能特点。本文将系统梳理十二种主流负电压生成方案，深入剖析其工作原理、设计要点以及实际应用中的关键考量，为工程师提供一份详尽的实用指南。

       在电子设计领域，正电源电压似乎总是占据主导地位，但负电压的应用却如同影子般无处不在，它是许多复杂系统能够稳定运行的幕后功臣。无论是确保运算放大器拥有足够的动态范围，还是满足一些古老却又仍在服役的通信标准所需，亦或是为某些特殊的传感器提供偏置，负电压的生成都成为了电路设计师必须掌握的一项关键技能。对于初入行的工程师或是爱好者而言，负电压可能带着一丝神秘色彩，甚至让人感到些许困惑。本文将拨开迷雾，系统地介绍多种获得负电压的实用方法，从最基础的理念到复杂的工程实现，希望能为您提供一个清晰而全面的视角。

一、理解负电压的本质

       在深入探讨如何产生负电压之前，我们首先需要正本清源，理解负电压的物理意义。电压本质上是一个相对的概念，是电路中两点之间的电位差。我们通常所说的“地”或“参考地”，被定义为零电位点。所谓负电压，就是相对于这个参考地，某一点的电位更低。例如，一个负五伏的电压，意味着该点比“地”点的电位低五伏。这个概念的理解至关重要，它消除了负电压的神秘感，将其归结为一种电势的相对关系。在许多双电源系统中，正负电压对称地围绕“地”电位分布，为模拟电路提供了以地为基准的正负摆幅能力，这是单电源系统难以实现的性能优势。

二、利用中心抽头变压器

       这是最传统且直观的方法之一，常见于线性电源设计中。当使用一个带有中心抽头的变压器时，中心抽头被接地。这样，在变压器的两个输出端，相对于中心抽头（地），就会产生幅值相等但相位相反的交流电压。经过后续的桥式整流或全波整流电路以及滤波稳压环节，便能得到一组正负对称的直流电压。这种方法的好处是电路成熟可靠，能够提供较大的输出电流，并且纹波特性较好。缺点是变压器的体积和重量较大，效率相对较低，不适合便携式或对空间要求苛刻的应用。

三、基于电荷泵原理的电压反转

       电荷泵，也称为开关电容电压转换器，是一种利用电容的充电和放电来实现电压极性反转或倍增的电路。其核心元件包括开关、振荡器和电容。工作时，首先在振荡器的控制下，开关将电容连接到输入正电压进行充电。然后，开关状态切换，将已充电的电容“泵送”到输出端，使其正极接地，负极则输出一个负电压。通过高频切换，可以维持一个相对稳定的负电压输出。电荷泵电路的优点是无需电感，体积小，集成度高，许多专用芯片外围元件极少。缺点是输出电流能力通常有限，且输出电阻较大，负载调整率一般。

四、采用反激式开关电源拓扑

       反激式转换器是开关电源家族中的重要成员，它非常适合于生成隔离或非隔离的负电压。其核心是一个带有多组次级绕组的变压器（更准确地说是耦合电感）。当主开关管导通时，能量储存在变压器的磁场中，此时次级绕组的二极管反偏，负载由输出电容供电。当开关管关断时，变压器初级绕组的感应电压反向，次级绕组的电压极性也随之反转，使得二极管正向偏置，储存的磁能释放到负载和输出电容，从而产生负电压。这种方法效率高，能够实现电气隔离，并可同时提供多路不同规格的输出。缺点是设计相对复杂，需要处理变压器的漏感和尖峰电压问题。

五、使用反向降压-升压转换器

       标准的降压转换器输出正电压，而升压转换器也输出正电压。但通过对降压或升压拓扑进行变形，可以构造出反向降压-升压转换器。这种拓扑的特点是，无论输入电压是高于还是低于输出电压的绝对值，它都能工作，并且其输出电压极性与输入电压相反。当开关管导通时，电感储能，电流线性上升。当开关管关断时，电感的感应电动势反向，电流通过二极管流向输出端，在输出电容上建立起负电压。这种非隔离方案结构紧凑，效率较高，是获得负电压的常用手段，尤其适用于板级电源设计。

六、依托于单端初级电感转换器

       单端初级电感转换器是一种非常灵活的非隔离电源拓扑。它仅使用一个开关管、一个电感、一个二极管和一个电容，就能实现降压、升压或反向功能。当配置为产生负电压时，其工作原理与反向降压-升压转换器类似。通过控制开关管的占空比，可以调节输出电压的绝对值。单端初级电感转换器的优点是电路结构简单，成本较低，能够提供比电荷泵更大的输出电流。缺点是其输入电流和输出电流都是断续的，纹波较大，需要仔细设计输出滤波电路。

七、运用运算放大器与虚地技术

       在某些只需要很小电流（通常是毫安级或更小）的场合，例如为运算放大器的负电源引脚供电，可以采用运算放大器与电阻分压网络构成的“虚地”发生器。该方法从一个单一的正电源出发，利用一对精密电阻将正电源电压分压，产生一个中间电位点，然后通过一个单位增益缓冲器（运算放大器构成）将这个中点电位低阻抗地输出。对于需要双电源供电的后续电路，这个中点电位就被视为新的“地”，而原来的正电源端和真实地之间就相对地变成了正负电源。这种方法极其简单，但驱动能力非常有限，仅适用于信号调理等小电流场景。

八、利用音频功率放大器反相

       这是一个颇具巧思的“旁门”技巧，在某些应急或低成本应用中可能会被考虑。某些音频功率放大器，当配置为反相放大模式时，其输出端在静态（无信号输入）下，会呈现出一个相对于电源中点的负电压偏移。通过适当的反馈网络配置，理论上可以将其稳定在某个负电压值。然而，这种方法极不常规，稳定性、精度和效率都很难保证，通常不被推荐用于严肃的电源设计，但作为一项有趣的思路，它展示了电源设计的多样性。

九、基于电感式开关稳压器芯片

       当前市场上有大量专为产生负电压而设计的电感式开关稳压器集成电路。这些芯片内部集成了功率开关管、控制逻辑、振荡器和保护电路，外部仅需搭配一个电感、二极管和少量电容即可工作。它们通常基于前述的反向降压-升压或单端初级电感转换器拓扑，但设计工作已经由芯片制造商完成，用户只需根据数据手册推荐选择外围元件参数。这种方案的优点是设计简单，性能有保障，可靠性高。工程师应优先考虑此类方案，以缩短开发周期。

十、采用线性稳压器进行后级稳压

       无论通过上述哪种方式生成的原始负电压，其纹波和噪声水平可能仍不满足某些高精度模拟电路的要求。此时，可以在负电压生成电路之后，接入一颗负压输出的线性稳压器，如七千九百零五系列芯片。线性稳压器能够有效抑制纹波，提供非常洁净、稳定的负电压输出。缺点是线性稳压器本身存在压差损耗，会降低整体效率，并且需要消耗功率，在输出电流较大时发热显著。因此，它常作为开关电源的后级滤波和精密稳压环节。

十一、关注负载点转换方案

       在现代复杂的电路板上，可能只有某一个或几个特定的芯片需要负电压，而不是整个系统。在这种情况下，为这一点点负载专门设立一个庞大的负电源子系统显然不经济。负载点转换器方案应运而生。它使用小封装的、高效率的直流到直流转换器模块或芯片，直接安装在需要负电压的芯片旁边，从其正电源轨上就地转换产生所需的负电压。这种方法减少了电源分配网络的损耗，避免了长距离传输负电压可能引入的噪声问题，提升了系统可靠性。

十二、考量多输出绕组开关电源

       对于需要多路稳定电源（包括正压和负压）的系统，最优雅的解决方案或许是采用定制或多输出的开关电源模块。这类电源在其高频变压器上拥有多个独立的次级绕组，通过一套控制电路，可以同时稳压输出正十二伏、正五伏、负十二伏、负五伏等多种电压。其优点是集成度高，各输出之间具有良好的协调性和稳定性，通常由专业电源厂商设计和制造，可靠性有保证。缺点是成本较高，灵活性稍差，需要提前准确规划电源需求。

十三、重视接地与噪声抑制

       在设计和布置负电压电路时，接地策略和噪声抑制是成败的关键。负电压回流路径必须清晰、低阻抗，并与敏感的模拟地、嘈杂的数字地妥善处理，通常推荐采用单点接地或分区接地策略。开关电源产生的噪声可能通过电源线或空间辐射干扰模拟电路，必须使用适当的滤波网络、屏蔽和布局技巧来加以抑制。对纹波极其敏感的应用，甚至需要考虑使用低压差线性稳压器进行后级调节。

十四、完成效率与散热计算

       不同的负电压生成方案效率差异很大。线性方案（如虚地）效率最低，开关电源方案效率较高。在选择方案时，必须根据负载电流和可接受的功率损耗进行效率计算。特别是对于大电流输出，效率直接关系到系统的发热量和热设计难度。需要估算主要功率元件（如开关管、电感、二极管）的功耗，并确保它们工作在安全的结温范围内，必要时需加装散热片。

十五、执行成本与体积的权衡

       工程设计永远是在性能、成本、体积、开发周期之间做权衡。电荷泵方案体积最小，但输出电流能力弱；工频变压器方案成本可能较低且可靠，但体积重量巨大；专用开关稳压器芯片方案性能均衡，但需要一定的设计能力。工程师需要根据产品的具体定位（如消费电子、工业设备、医疗仪器），选择最合适的性价比方案。

十六、进行可靠性及保护电路设计

       一个健壮的电源设计必须包含必要的保护功能。对于负电压电路，应考虑输入欠压锁定、输出过流保护、短路保护以及过热关断等。这些保护措施可以防止在异常情况下对电源电路本身或后续负载造成永久性损坏。例如，在输出端串联一个自恢复保险丝或设计电子限流电路，都是常见的做法。

十七、完成实际测试与验证

       任何理论设计和仿真都不能完全替代实际的电路测试。制作原型板，使用示波器、电子负载等仪器，在不同负载条件下测量负电压的输出稳定性、纹波噪声、动态响应特性、效率曲线等关键参数是必不可少的步骤。只有通过充分的测试验证，才能发现潜在问题并优化设计，确保产品在各种工作环境下都能稳定可靠地运行。

十八、探索未来技术发展趋势

       随着半导体技术的进步，负电压生成技术也在不断发展。更高开关频率的氮化镓和碳化硅功率器件使得电源转换器可以做得更小、更高效。数字电源技术提供了更灵活的控制和监控能力。高度集成的电源管理单元能够在一个芯片内实现多路电压的生成和管理。作为工程师，保持对新技术的学习和关注，将有助于在未来的设计中采用更优的解决方案。

       总而言之，获得负电压并非难事，但如何根据具体应用场景选择最适宜、最经济、最可靠的方法，则体现了工程师的智慧和经验。从古老的变压器到现代的集成电路，每一种技术都有其用武之地。希望本文梳理的这十余种方法，能为您在未来的电子设计之旅中提供有价值的参考和启发。当您下次面对需要负电压的电路时，想必能够更加从容自信地做出选择。