刘勇+王晓哲

摘 要： 现代电子系统中不少电路需要负电压作为供电或控制，而传统使用变压器电路的方法具有体积大效率低的缺点。分析了负电压产生的原理，结合工程实际应用提出一种基于LTC3863的负电压电路设计方法，并对电路中主要器件参数进行分析和计算。仿真及试验结果验证表明，该电路具有转换效率高、体积小等特点，可以在各种嵌入式及手持终端设备中广泛使用。

关键词： 负电压电路； 开关电源； 参数分析； 电路设计

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着电子技术的提高以及电子产品的发展，一些系统中经常会需要负电压为其供电。例如在LCD背光系统中，会使用负电压为其提供门极驱动和偏置电压，在部分系统的运算放大器中，也经常会使用正负对称的偏置电压为其供电。此外还有部分集成电路如AD835等、电子开关SW276等器件，也需要负电压供电或作为控制端。通常所说的负电压，只是相对于零电位参考点而言。根据所选择的参考点，可以把电压分为正电压和负电压。绝大多数情况下选择大地作为电压的参考点（零电位），高于大地电位的就是正电压，反之就是负电压。当然随着电位参考点的变化，正负电压的界定标准也会相应变化。一般而言，正电压的低电平端是零电位，也就是通常说的大地端，而负电压则相反，大地端的零电位恰恰是负电压的高电平端。

要从一个正电压源产生一个负电压，一般原理是通过储能器件的反向电势，改变流经负载中电流的方向从而产生负电压，主要方法包括采用变压器、开关电源等。其中变压器法体积大，效率低；开关开关电源法设计参数计算比较麻烦，分立元器件使用得多，电路体积大。本文提出一种基于LTC3863的负电压电路设计方法，在输入3.5～60 V的条件下，可产生-12 V/1 A的负电压，该电路使用元器件种类数量少，整个电路占空间小，具有出色的灵活性和轻负载效率，特别适合于嵌入式及手持终端等设备中使用。

1 负电压产生原理

在电压变换设计电路中，开关电源（SMPS）因其高效、灵活等特点，成为工程师的首选设计方案。根据电路拓扑的不同，开关电源可以将直流输入电压转换成不同的直流输出电压。实际应用中存在多种拓扑结构，比较常见有三种基本类型，按照功能划分为降压（buck）、升压（Boost）、升/降压（Buck?Boost或反转）。在以上三种拓扑结构中，Buck?Boost模式能产生负电压，重点对其进行简要分析。Buck?Boost模式电路一般都包括MOSFET开关、二极管、输出电容和电感。MOSFET是拓扑中的有源受控元件，通常与控制器连接，控制器输出脉宽调制（PWM）方波信号驱动MOSFET栅极，控制器件的关断或导通。为了使输出电压保持稳定，控制器检测开关电源输出电压，并改变方波信号的占空比（D），即MOSFET在每个开关周期[（TS）]导通时间。D是方波导通时间和周期的比值[（TONTS），]直接影响开关电源的输出电压。MOSFET的导通和关断状态将电路分为两个阶段：充电阶段和放电阶段，充电期间电感所储存的能量，在放电期间传递给输出负载和电容上。基本电路简化如图1所示。

图1 Buck?Boost模式简化电路

在图1中，[Vin]为输入电源，[V1]为控制开关，[L1]为储能电感，[V2]为整流二极管，[C2]为储能滤波电容，[Vout]为输出电压。当控制开关[V1]接通的时候，输入电源[Vin]开始对储能电感[L]加电，流过储能电感[L1]的电流开始上升，上升速度[didt=VinL，]同时电流的变化在储能电感中也会产生磁场；当控制开关[V1]由接通转为关断的时候，储能电感[L1]会产生反电动势，使电流继续流动，此时电流不断下降，下降速率[didt=-VinL，]并通过整流二极管[V2]进行整流，再经电容储能滤波，然后向负载提供电流输出。控制开关[V1]不断地反复接通和关断，在负载上就可以得到一个负极性的电压输出。

2 LTC3864特点及内部结构

凌力尔特公司 （Linear Technology Corporation）的LTC3863是一款高性能的反相DC/DC开关电源转换芯片，能够从一个3.5 ～60 V[的正输入范围产生一个-0.4～]

-150 V的负输出电压。该器件采用单电感器拓扑以及一个有源[P]沟道MOSFET 开关和一个二极管，其高集成度可造就一款简单和低组件数目的解决方案。LTC3863 有卓越的轻负载效率，在用户可编程的突发模式（Burst Mode?）操作中仅吸收70 μA静态电流。其峰值电流模式、恒定频率PWM架构可提供电感器电流的正控制、简易的环路补偿和绝佳的环路动态特性。开关频率能利用一个外部电阻器在50～850 kHz的范围内进行设置，而且可同步至一个75～750 kHz的外部时钟。LTC3863提供了可编程软起动或输出跟踪。安全功能包括过压、过流和短路保护 （包含频率折返）。该器件采用MSOP?12和3 mm×4 mm DFN封装，体积极小，适用于对空间体积要求比较高的场合。

在图2中，1管脚（PLL/MODE）是外部时钟输入或Burst模式的使能端，当有脉冲接入时内部PLL电路对其跟踪并作为控制频率，当没有外部时钟时该管脚可作为工作模式控制端。2管脚（FREQ）是开关频率的设置输入端，通过连接到地电阻，选择不同的开关频率，也可以直接连接DC电压作为频率控制。3管脚（SGND）是信号地，是所有小信号模拟输入的地平面参考，在PCB板上通常与电源地通过单点连接。4管脚（SS）是软启动和外部跟踪的输入端，通过连接到底电容设置输出电压的稳定时间，也可以通过电阻连接其他电源作为软启动的控制端。5管脚（VFB）是输出反馈端，通过分压电阻设置输出电压的值，该点电压如果过低，会自动降低开关频率，防止开关周期中开的时间过短。6管脚（ITH）是电流阈值及补偿控制端，是LTC3863内部误差放大器的输出，输出范围为0～2.9 V。7管脚（VFBN）是反馈输入端，通过分压电阻分别与VFB、输出电源连接。8管脚（RUN）是控制使能端，当电压大于1.26 V时控制器工作，由于内部上拉电阻，该管脚可以悬空使用。9管脚（CAP）是内部驱动器DRV的负驱动端，通常连接至少0.1 μF的低损耗陶瓷电容。10管脚（SENSE）是电流传感输入端，通过高精度传感电阻[RSENSE]与电源[VIN]连接，设置最大限制电流。11管脚（[VIN]）是电源输入端，也是芯片的供电端，应至少连接0.1 μF的旁路电容到地。12管脚（GATE）是外部P沟道MOSFET的驱动DVR输出端，内部DVR的正负供电压差8 V，如果小于3.5 V将不能正常工作。13脚（PGND）是电源地，通过散热焊盘与印制板连接。

图2 LTC3863内部结构图

3 电路设计及参数计算

3.1 电路设计基本要求

按照笔者实际工作中需求，对该电路设计主要有以下设计要求：

（1） 输入电压：+5～+12 V；

（2） 输出电压：（-12±0.5） V；

（3） 负载电流：1 A；

（4） 输出电压纹波：1%；

（5） 输出电压负载调整率：1%；

（6） 转换效率：80%（输出电流1 A时）。

3.2 电路原理设计

按照设计要求及LTC3863的使用要求设计电路原理图如图3所示，该电路可从一个4.5～16 V输入产生一个-12 V/1 A的输出，工作原理类似于反激式转换器，当开关导通时将能量存储在电感器中，而当开关切断时则通过二极管将能量释放至输出端。为了避免当输出短路时由于最小导通时间的原因而产生过大的电流，该控制器在输出小于标称值的一半时折返开关频率。

图3 电路原理图设计

3.3 电路参数分析及计算

（1） 输出电压

该电路的设计输出主要由输出分压电阻设置。根据LTC3863内部VFB和VFBN之间设定固定电压0.8 V，可知输出电压[Vout]与反馈电阻有如下关系：

[VOUT=-0.8? RFB1RFB2] （1）

根据输出要求，可以设置[RFB1=]1.2 MΩ，[RFB2=]80 kΩ。

（2） 开关频率

开关频率、电感、电容等参数的选择直接关系到转换电路的效率。开关频率如果选择较高，可以大幅度减小电感、电容的体积，但会因MOSFET的快速转换及损耗导致开关电路的效率降低。所以，以上参数的选择都相互影响。开关频率如果不提供外部时钟输入，则可通过调整2管脚（FREQ）的接地电阻值确定开关频率，可调整范围为50～850 kHz，如果该管脚接地则固定频率350 kHz，该管脚悬空开关频率为535 kHz，接地电阻与开关频率的关系可通过查找该器件datasheet中数据确定。本设计中确定开关频率400 kHz，通过查表得知电阻[RFREQ]为61.9 kΩ，如图4所示。

图4 开关频率与频率选择电阻的关系

（3） 限流取样电阻

在该电路设计中，管脚SENSE与电源[VIN]之间的电阻[RSENSE]取值决定输出电流的大小。该电阻是一个精密取样电阻，电感中能够经过的最大电流为[95 mVRSENSE，]可以根据式（2）计算该电阻的取值。通过计算及分析，该电路设计中[RSENSE]取值为16 mΩ，精度1%，额定功率0.1 W。

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

（4） 电感

电感值的大小影响到效率及纹波，电感值大会使得电流纹波变小，效率提升，但需要更大的体积及饱和率更高的磁芯。同时电感值也会影响到反馈环路的稳定性，感值过大会降低环路稳定度，也会因电流上升率缘故使电路瞬态响应变慢。电感值的选择可以根据公式（3）进行初步计算，在初步计算的基础上，根据效率、电流、纹波等要求进行调整，本设计中取值[L=10 μH。]

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

其余元器件的选型此处不再逐个分析，元器件型号及具体参数如图2原理设计中所示。

4 仿真及验证结果

根据图2中原理设计，对该电路进行仿真分析及排版验证。在该电路中，主要通过MOSFET的通断控制电感[L]的充电、放电过程，通过电流的反向流动产生负电压。对电路中的12管脚控制端[VGATE、]电感正端的电压[VL、]电感中的电流[IL、]电压输出[VOUT]分别进行测试，其波形如图5所示，可以看出电感[L]的随[VGATE]的充放电过程。

该电路可以通过PLL/MODE选择工作在Burst模式或Pluse?Skipping模式。当PLL/MODE管脚悬空时，电路工作在Burst模式下，如果[VFB]比参考电压高，芯片内部的误差放大器将会自动降低ITH脚的电压，当ITH脚电压低于0.425 V时会自动进入休眠模式，该模式下大部分内部电路将会被关闭，直至外部电压降低至能够关闭该状态。当PLL/MODE管脚接地时，电路工作在Pluse?Skipping模式下，芯片内部ICMP电路将会使外部MOSFET保持开关状态，该模式下输出电压的纹波、噪声幅度都比较小，对射频干扰也比较小，但是转换效率没有Burst模式高。两种工作模式下转换效率的比较如图6所示。

图5 电路测试点电压、电流波形图

5 结 语

负电压产生电路在电子线路设计中经常用到，本文设计了一种基于LTC3863的负电压电路，在输入3.5～60 V的条件下，可产生-12 V/1 A的负电压，经测试该电路能够达到使用要求，并在笔者实际工程中已经成熟使用。该电路使用元器件种类数量少，整个电路占空间小，具有出色的灵活性和轻负载效率，特别适合于嵌入式、手持终端等设备中使用。

图6 两种工作模式下转换效率比较

参考文献

[1] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计平[M].北京：电子工业出版社，1998.

[2] 王英剑，常敏慧，何希才.新型开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，1999.

[3] 董玉林，王晓明，刘瑶，等.开关电源纹波和噪声的抑制[J]. 辽宁工业大学学报：自然科学版，2008，28（5）：302?304.

[4] 栾成强.高压负电源的设计及应用[J].国外电子元器件，2001（6）：71?72.

[5] 胡玉祥.具有跟踪温度变化能力的负电压发生器设计[J].电测与仪表，2003（2）：50?51.

[6] 程剑平，魏同立.锂离子保护电路中的负电压检测[J].电子器件，2002，25（4）：409?412.

[7] 马丽梅，张少如.Buck?Boost DC/DC变换器的控制[J].河北工业大学学报，2008，37（4）：99?105.

[8] 张亚娟.基于LTC3533设计的一种超小体积升降压转换器[J].电子元器件应用，2008，10（7）：4?6.

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

（4） 电感

电感值的大小影响到效率及纹波，电感值大会使得电流纹波变小，效率提升，但需要更大的体积及饱和率更高的磁芯。同时电感值也会影响到反馈环路的稳定性，感值过大会降低环路稳定度，也会因电流上升率缘故使电路瞬态响应变慢。电感值的选择可以根据公式（3）进行初步计算，在初步计算的基础上，根据效率、电流、纹波等要求进行调整，本设计中取值[L=10 μH。]

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

其余元器件的选型此处不再逐个分析，元器件型号及具体参数如图2原理设计中所示。

4 仿真及验证结果

根据图2中原理设计，对该电路进行仿真分析及排版验证。在该电路中，主要通过MOSFET的通断控制电感[L]的充电、放电过程，通过电流的反向流动产生负电压。对电路中的12管脚控制端[VGATE、]电感正端的电压[VL、]电感中的电流[IL、]电压输出[VOUT]分别进行测试，其波形如图5所示，可以看出电感[L]的随[VGATE]的充放电过程。

该电路可以通过PLL/MODE选择工作在Burst模式或Pluse?Skipping模式。当PLL/MODE管脚悬空时，电路工作在Burst模式下，如果[VFB]比参考电压高，芯片内部的误差放大器将会自动降低ITH脚的电压，当ITH脚电压低于0.425 V时会自动进入休眠模式，该模式下大部分内部电路将会被关闭，直至外部电压降低至能够关闭该状态。当PLL/MODE管脚接地时，电路工作在Pluse?Skipping模式下，芯片内部ICMP电路将会使外部MOSFET保持开关状态，该模式下输出电压的纹波、噪声幅度都比较小，对射频干扰也比较小，但是转换效率没有Burst模式高。两种工作模式下转换效率的比较如图6所示。

图5 电路测试点电压、电流波形图

5 结 语

负电压产生电路在电子线路设计中经常用到，本文设计了一种基于LTC3863的负电压电路，在输入3.5～60 V的条件下，可产生-12 V/1 A的负电压，经测试该电路能够达到使用要求，并在笔者实际工程中已经成熟使用。该电路使用元器件种类数量少，整个电路占空间小，具有出色的灵活性和轻负载效率，特别适合于嵌入式、手持终端等设备中使用。

图6 两种工作模式下转换效率比较

参考文献

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

（4） 电感

电感值的大小影响到效率及纹波，电感值大会使得电流纹波变小，效率提升，但需要更大的体积及饱和率更高的磁芯。同时电感值也会影响到反馈环路的稳定性，感值过大会降低环路稳定度，也会因电流上升率缘故使电路瞬态响应变慢。电感值的选择可以根据公式（3）进行初步计算，在初步计算的基础上，根据效率、电流、纹波等要求进行调整，本设计中取值[L=10 μH。]

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

其余元器件的选型此处不再逐个分析，元器件型号及具体参数如图2原理设计中所示。

4 仿真及验证结果

根据图2中原理设计，对该电路进行仿真分析及排版验证。在该电路中，主要通过MOSFET的通断控制电感[L]的充电、放电过程，通过电流的反向流动产生负电压。对电路中的12管脚控制端[VGATE、]电感正端的电压[VL、]电感中的电流[IL、]电压输出[VOUT]分别进行测试，其波形如图5所示，可以看出电感[L]的随[VGATE]的充放电过程。

该电路可以通过PLL/MODE选择工作在Burst模式或Pluse?Skipping模式。当PLL/MODE管脚悬空时，电路工作在Burst模式下，如果[VFB]比参考电压高，芯片内部的误差放大器将会自动降低ITH脚的电压，当ITH脚电压低于0.425 V时会自动进入休眠模式，该模式下大部分内部电路将会被关闭，直至外部电压降低至能够关闭该状态。当PLL/MODE管脚接地时，电路工作在Pluse?Skipping模式下，芯片内部ICMP电路将会使外部MOSFET保持开关状态，该模式下输出电压的纹波、噪声幅度都比较小，对射频干扰也比较小，但是转换效率没有Burst模式高。两种工作模式下转换效率的比较如图6所示。

图5 电路测试点电压、电流波形图

5 结 语

负电压产生电路在电子线路设计中经常用到，本文设计了一种基于LTC3863的负电压电路，在输入3.5～60 V的条件下，可产生-12 V/1 A的负电压，经测试该电路能够达到使用要求，并在笔者实际工程中已经成熟使用。该电路使用元器件种类数量少，整个电路占空间小，具有出色的灵活性和轻负载效率，特别适合于嵌入式、手持终端等设备中使用。

图6 两种工作模式下转换效率比较

参考文献

[1] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计平[M].北京：电子工业出版社，1998.

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[8] 张亚娟.基于LTC3533设计的一种超小体积升降压转换器[J].电子元器件应用，2008，10（7）：4?6.