负电压电路设计指南：原理、方案与实测全流程解读

在当今的电路设计领域，负电压的应用愈发广泛，其重要性也日益凸显。本文将深入且系统地阐述负电压电路产生的原理、应用价值，并详细介绍两种常用的设计实现方案。通过对原理 - 方案 - 实测的全链路解析，为负电压电路设计提供一份可复用的专业技术指南。

在电路设计中，需要负电压的场景屡见不鲜，例如常见的运放电路。那么，究竟什么是负电压？产生负电压的原理又是什么呢？接下来，我们将一一为您解答，并展示两款精心设计的负电压电路，方便大家在实际应用中参考使用。

一、什么是负电压？

电压是用于衡量两点之间电势差的物理量。当提及某一点的电压为 “+5V” 或 “ -5V” 时，必须明确这是相对于哪个参考点而言的，这个参考点通常被称为 “地” 或 “0V”。“地” 可以是一个公共接地点、电源的负极，也可以是电路中任意选定的一点作为参考基准。

如果一个点相对于参考点的电位更低，那么该点的电压即为负电压。例如，一节标准的 1.5V 电池，若定义电池的负极为参考点（0V），那么正极相对于负极就是 +1.5V；反之，若定义电池的正极为参考点（0V），那么负极相对于正极就是 -1.5V。由此可见，电池电压本身并未改变，两极之间始终保持 1.5V 的电位差，但参考点的选择决定了每个点电压的正负。

二、负电压的应用场景

负电压在众多领域都有着不可或缺的应用：

●放大器电路：在信号调理模块、传感器接口电路等运放电路中，以及一些精密仪器、数据采集系统、医疗设备中的生物电信号处理环节，运算放大器需要对称的正负电源，以确保信号能在零电平上下波动，从而实现高精度的放大或滤波。

●通信系统：以 RS - 232 接口为例，它使用 -3V～ -15V 表示逻辑 “1”， +3V~ +15V 表示逻辑 “0”。这种正负电压差远大于噪声干扰，大大增强了长距离传输时的抗干扰能力。

●音频设备：在高保真功放、音响系统中常见的 B 类音频放大器，需要正负电源驱动输出级晶体管，以消除交越失真，提升音频质量。

●航空航天设备：飞行器舵机控制器、传感器模块中的驱动执行机构或处理传感器信号时，需要负电压供电，以确保系统具备强大的抗干扰能力。

●测量仪器：如示波器、信号发生器、频谱仪等，利用负电压为模拟前端（AFE）和高精度 ADC 提供双极性电源，保证信号的动态范围和线性度。

此外，显示设备、医疗设备、功率电子器件驱动等领域也都离不开负电压的支持。

三、负电压是如何产生的？

负电压产生的本质是通过储能元件（电容或电感）改变参考点的电位，其核心原理主要有以下两种：

●电荷泵原理：利用电容电压极性翻转特性，将正电压 “搬移” 为负电压。

●反极性 Buck - Boost 拓扑：通过开关控制电感电流方向，实现电压极性反转。

1.负压电荷泵的电路模型

当 Vin 为高电平 Vh 时，T1 测试点的电压 VT1 是 GND，Vin 为电容 C1 充电，使 C1 左右两端的电压差为 Vh。充电电流通过 D1 到达 GND，同时也会使 C2 储存一些电荷。当 Vin 为低电平时，由于电容两端电压不会突变，C1 左右两端的电压差仍是 Vh，左侧变为低电平后，右侧 VT1 就变为了 -Vh。此时，输出电流的方向是从 Vo 到 T1，忽略 D2 上的压降，Vo 的值将会介于 0V 与 -Vh 之间，实现了负压输出，并且受 Vin 频率与有效值影响。

在实际应用中，为了减小二极管的压降影响，通常会选用压降较低的肖特基二极管。需要注意的是，电荷泵的输出电压依赖输出电容所储存的能量，因此电荷泵电路一般不用于大电流电路，多用于 DC/DC 转换器辅助电压输出。

2.反极性 Buck - Boost 拓扑

基础的 DCDC 拓扑电路包括 Buck、Boost、Buck - Boost，一般将可以生成负压的基本拓扑叫做反极性 Buck - Boost。

在反极性 Buck - Boost 电路中，电源控制器通过控制 mos 管的 G 极电压来实现对开关管的通断控制。

当 mos 管 Q1 闭合导通时，电感 L 接到电源两端，输入电压 Vin 对电感进行充电，电感的电流逐渐上升。由于导通瞬态时 di/dt 比较大，这个过程主要由 Cin 为电感供电，此时 Q1 相当于短路，电感 L 两端的电压为 Vin，二极管 D1 截止，此时 Cout 放电为 RL 提供能量，所以 Vout 是负值。

当 Q1 关断时，Vin 给 Cin 电容充电。由于电感的电流不能突变，流向不变，所以此时电感给电容 Cout 充电，同时也为负载 RL 进行供电。

电流的流向为：L1下端→负载电阻→肖特基二极管→L1上端。

由于 RL 的下端是 GND，即电压为 0V，RL 的电流方向为从下往上，根据电流的流向可知 RL 的上端电压 Vout 比其下端更低，所以输出 Vout 仍然是一个负值。由此，通过不断控制 Q1 的开与关，可以让 Vout 持续为负电压。

四、负电压电路实测

在介绍过两种最基本的负电压电路原理后，我们设计了两个负电压电路并进行了实测。

1.电荷泵方案

我们采用 TI 的 TPS60403 电荷泵电压反相器芯片。这种集成式芯片具有电压精度高、纹波小且体积小的优点。除了 TPS60403，还有 TI 的 LM27762、ADI 的 LTC3265、MAX1673 等类似芯片可供选择。

TPS60403 通过内部开关周期翻转外部电容器连接实现电压反转，而且不需要电感器。它支持 1.6V 至 5.5V 宽输入范围，兼容锂离子 / 镍氢 / 碱性电池或 3.3V/5V 稳压电源。最大输出电流 60mA，典型转换效率 >90%，固定 250kHz 开关频率，降低了噪声设计复杂度，仅需 3 个 1μF 外部电容器（推荐 X5R/X7R 陶瓷电容）就可构建完整逆变电路。

在焊接好的 PCB 上，设置输入电源为＋5V，经测量，其输出电压为 -5V。

2.DCDC 方案

第二个实验采用经典的 DCDC 转换器 TPS5430。TPS5430 本质是降压型 DC - DC 转换器，但通过反向升降压拓扑可以实现负电压输出。只需对其电路接地端进行调整，将原 GND 引脚改为负压输出端（ -Vout），原 VOUT 引脚接地即可。

其工作过程如下：

●开关导通期：输入电压（Vin）对电感充磁，电流线性上升，此时负载由输出电容供电。

●开关关断期：电感极性反转，通过二极管向负载和电容释放能量，形成负压。

由于 TPS5430 是降压型 DC - DC 转换器，使用时要求输入电压的绝对值大于输出电压的绝对值，所以我们设置输入电源为＋5.5V，经测量，其输出电压为 -5V。

通过以上详细的讲解和实测，相信大家对负电压电路有了更全面、深入的了解。上述两个电路经过验证，可以直接放心使用。

了解负电压是设计负电压电路的前提。一个优秀的负电压设计不仅可以增强信号处理能力、扩展动态范围、提高系统稳定性，还能保护电路元件、降低干扰影响、降低功耗、提高电源利用率。此外，良好的负电压设计可以满足多种应用场景对负电压的不同需求，便于系统扩展和升级，提升系统的兼容性和灵活性。