四种负电压电源：产生原理大揭秘及应用场景探讨

在电子系统的实际应用场景中，由于体积、成本以及上电时序等多方面因素的限制，很多时候只能采用单一的正电源进行供电。然而，像运算放大器、通信接口以及传感器驱动等关键模块，要想实现正常且稳定的运行，往往需要额外配置负电压供电。本文将在深入剖析负电压产生机理的基础上，详细阐述 4 种负电压电源的产生原理，并深入探讨其具体的应用场景。

电荷泵

电荷泵的工作原理是通过开关控制（通常采用 MOSFET 管）电容的周期性充放电来实现电压的反转或倍增。具体工作流程为：在开关周期内，首先对电容充电至一定的输入电压（例如 + 5V），然后切换电容的极性，向输出电容放电，从而将输出端的电压反向（如 - 5V）。

电荷泵的优点十分显著，它无需电感，电路结构简单，成本较低，通常只需要外接几个电容即可；集成度高，有专用的 IC 可供选择；并且电磁干扰（EMI）较小。不过，它也存在一些局限性，输出电流较小，通常小于等于 50mA；效率较低，大约在 70% 左右；输出纹波较大。因此，电荷泵适用于小电流供电的场景，由于其自身带载能力有限，适合为运算放大器等低功耗设备提供稳定的负电源，以及用于 MCU 控制通信等用途。其代表器件型号为 HJ7660 电荷泵反转器。

电感式 DC - DC 转换器

电感式 DC - DC 转换器利用电感的储能特性，通过开关（MOSFET 管）来控制能量的传递。其工作类型为升降压 Buck - Boost 型，输入为正电压，输出电压可正可负。工作过程分为两个阶段：在开关导通阶段（Ton），开关管闭合，二极管反向截止，电流流过电感 L，电感开始储能，之后输出电容 C 向负载放电以维持负压；在开关关断阶段（Toff），开关管断开，由于电感电流不能突变，会产生反向电动势，此时二极管正偏导通，电感电流通过二极管给输出电容 C 充电（电流方向从地流向 C 负极），从而在电容 C 上维持负电压。

该转换器的优点是效率高，大约在 85% 左右，输出电流能力大。但缺点也较为明显，需要电感和复杂的控制电路（涉及环路补偿），成本较高，可能会产生噪声（EMI 干扰），并且输出纹波也较大。所以，它适用于大功率设备，如工业控制系统、通信基站等。代表器件型号为 HJ35063 DC/DC 变换控制器。

变压器式电源类

变压器式电源类通过开关管（如 MOSFET 管）交替导通和断开，借助变压器实现能量转换。其典型结构是推挽（Push - Pull）拓扑结构，通过变压器耦合实现次级绕组反向连接，从而输出负压。

这种电源类的优点是效率高，并且隔离设计使其隔离性强。但控制部分电路需要进行复杂的设计，如采用 PWM 控制器。它适用于隔离型负压输出的场景，代表器件型号为 HJ05DCN05S1W 隔离型 DC DC 电源模块。

倍压整流电路

倍压整流电路利用二极管和电容组成的倍压电路及整流滤波电路，其内部通过输出端反馈，采用 PID 调节输出负电压（相对于设定参考点）。并且内置 RSET 端可通过外接电阻控制输出高压，范围为 - 2000V 至 - 800V。

该模块具有输入范围宽、功耗低、响应速度快、输出稳定度高和输出电压可调等特点，可广泛应用于航空、兵器、石油等领域。不过，它的带负载能力较弱，效率较低，适用于小电流电路。代表器件型号为 HJ24DCN20 DC DC 电源模块。

使用注意事项

在使用这些负电压电源时，需要注意以下几点：

1.电解电容必须正确连接极性（负极参考更低的电位），否则可能会引起爆炸或损坏。

2.若同时存在正负电压，需要确保所有电路的参考地（GND）统一，避免出现地线环路或意外短路的情况。

3.元器件（如开关管、二极管、电容）的额定电压需覆盖输入电压与输出电压绝对值之和。例如，当输入为 12V 生成 - 5V 时，开关管需承受至少 17V 的应力。

4.分立二极管（如电荷泵中的快恢复二极管）的方向需与电路路径匹配，防止反向击穿。

5.在电容布局方面，应采用低 ESR 陶瓷电容，并尽量靠近器件的 VIN、VOUT 引脚及接地引脚，以降低寄生效应。

6.电源接地设计至关重要，它需要承载电源、热噪声以及时钟频率相关的毛刺 / 反弹噪声。接地路径要确保接地走线阻抗最低，使电源分布均匀。同时，散热优化也应预留充足的接地区域，以改善散热，避免局部过热对器件产生负面影响。