1、负电压输出电源设计及典型应用方案分析作者：魏峰 系统工程部BCD半导体 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。另外，在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。如何产生一个稳定可靠的负电压已成为设计人员面临的关键问题。BCD公司开发出多款可实现负压输出的芯片，其中 AP3012和 AP3031是比较常用的两款。AP3012 和 AP3031 均为电流型控制的 PWM芯片，这两款芯片将开关管及反馈网络集成在芯片内部，集成度较高，在一定程度上减少了外围器件、节约了系统成本并节
2、省了使用空间。此外，AP3031 的带载能力要比 AP3012强，这两款芯片不同的带载能力可满足不同的应用场合。AP3012 实现正负电压输出的典型应用方案基于 AP3012 的正负电压方案在 4.310寸的 LCD 显示屏系统中应用相当广泛。应用电路图如图 1所示。图 1、 AP3012 实现正负不对称输出的典型应用方案。(print)在此应用方案中，AP3012 采用升压电路结构，为 15V和-10V 提供稳定的 5V的基准电压。而 15V和-10V是通过几级电荷泵电路的转换来实现。此方案可以通过调整电荷泵电路的级数来改变输出电压。结构非常简单而且使用相当灵活。由于 AP3012 的集成度
3、较高（集成了开关管及反馈网络）的特点，减少了系统的外围器件数目，进一步提Boost Circuit高了系统的实用性。所以，AP3012 的应用方案为系统的成本和尺寸的控制方面都提供了很大的空间。AP3031实现负电压输出的典型应用随着系统应用的不断升级，系统所需的供电电流也不断增加，例如，在数据采集等方面的系统应用中，需要为大量的运算放大器提供正负的偏置电压。这样，就需要有着更大带载能力的电源芯片为其供电。那么AP3031 就是一个很好的选择。因为 AP3031有着较强的带载能力，所以它被广泛的应用。由于 AP3031 经常被应用在工作电流较大的系统中。为了降低供电损耗，AP3031 通常是提
4、供单路的正或负偏置电压。图 2是使用 AP3031 实现-5V 输出的应用电路。图 2、 AP3031 实现-5V 输出的典型应用电路。(print)AP3031采用 Cuk电路结构实现负电压输出。图 6是 Cuk电路的时序图。To nTsTo nTsTd i svb eiL 1iL 2is w i t c h + id i o d evL 1Ii nIo u tIi n+ Io u tVo u tIL 1 m a xIL 2 m a xIs w i t c hId i o d eIL 1 m i nIL 2 m i nvb eiL 1iL 2vL 1vL 2IL 1 m a xIL 2 m
5、a xIs w i t c hId i o d eIL 1 m i nIL 2 m i nTo f fvL 2Vi nVo u tvi nVo u tVi nVo u tVi nTo f fttttttttttttis w i t c h + id i o d eV i nS WO VF BC T R L+-G N DA P 3 0 3 148123V i nV o u tC o u t1 0 u FR 1R 22 4 0 K1 0 KR 31 0 K1 0 KR 41 0 u FC 12 2 u HL 22 2 0 u HL 1D 1C i n1 0 u FA P D 1 4 0U 1U 2
6、A S 3 5 8- 5 V3 . 6 V连续模式 断续模式图 3、 Cuk 电路的时序图。在 Cuk 电路中：这个表达式说明了 Cuk 电路的输入电压不受输出电压的限制，既可以大于输出电压，也可以小于输出电压。使得输入电压的范围可以很宽。大大提高了电路应用的灵活性。该方案的输入电压范围较宽(3V16V),输出的带载能力可达 300mA.值得注意的是要求较高，由于 Cuk电路的结构原因，决定了该电路在器件的耐压方面要求较高，见下列表达式：从上面的三个表达式可以看出，与 Buck 和 Boost 电路不同，Cuk 电路工作时，开关管和二极管上所承受的电压，是输入电压和输出电压之和。所以在选择开关
7、管和二极管时，输入输出电压要同时兼顾。在反馈方面，由于输出为负电压，所以采用了反向放大器，将所采样到的输出的负电压信号经过反向后，输入到芯片的反馈端。.图 4、 反向放大器的结构图.反向放大器的传递函数：INOUTVDutyCMOUTIN1VCR43-SOV+ -481 23 R 1R 22 4 0 K1 0 KR 31 0 K 1 0 KR 4A S 3 5 8V c cV o VsVO=-VSR3=R4=10KISwitchOUTINDiode其它实现负电压输出芯片的典型应用如果系统的输入，输出电压较低，且输入范围不宽，那么，BCD 的 AP3406A也是很好的选择。AP3406A 的输入
8、范围是 2.5V5.5V, 最大输出电流可达到 800mA. 由于 AP3406A是一款电流型控制的 PWM的同步整流芯片，所以它可以实现较高的工作效率。AP3406A 可以通过搭建 Buck/Boost电路结构实现负电压输出。图 5是AP3406A 实现负电压输出的典型应用方案。图 5、 AP3406A 实现负电压输出的典型应用图。(print)To nTsTo nTsTd i svb eiLvLIi n Vo u tIL m a xIL m i nvb eiLvLIL m a xTo f fVi nVo u tVi nTo f ftttttttttttid i o d ed u t yIL
9、 m a xIL m i nIL m a xIL m i nis w i t c hid i o d eIL m a xis w i t c hIL m a x图 6、Buck/Boost 电路的时序图.Buck/Boost 的占空比表达式：R 1R 2G N DS WF BV i nC i nL 1U 1C o u tE NA P 3 4 0 6+-V o u tV I N连续模式 断续模式INOUTVDutyCM该应用方案与 AP3031的方案相比，结构更为简单，需要的器件更少（省去了一个电感和反向放大器） ，从而更进一步体现了使用的成本低，节约系统的空间的优势。另外，该电路的在器件选择的耐压方面与 Cuk 电路相同。以上介绍的几种方法已经在 Demo板上得到了充分的验证，结果可行，并且已经被客户接受和采用，是实现稳定且可靠的负电压的高性价比方案。OUTINVSwitchIDiode
