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非常見問題第213期：產生負電壓——為什么需要在降壓-升壓電路中進行電平轉換
前言：
作者：Frederik Dostal，現場應用工程師
問題：
為什么需要電平轉換？
答案：
反相降壓-升壓電路通常用于從正電壓產生負電源電壓。最重要的一步是確保正確產生負電壓。但是，如果電源由主應用電路控制或監控，則可能還需要電平轉換電路。該電路以地為基準，而反相降壓-升壓電源電路的GND引腳連接到所產生的負電壓。
簡介
反相降壓-升壓電路產生的負電壓幅度可以高于或低于可用正電壓的幅度。例如，從+12 V可以生成-8 V，甚至-14 V。當使用具有反相降壓-升壓電路的開關穩壓器IC時，系統可能需要設計通信引腳。如果確實需要，設計人員必須進行充分的電平轉換，以便可以利用同步和使能信號。
設計電平轉換電路的注意事項
反相降壓-升壓拓撲是基本開關穩壓器拓撲之一，只需要一個電感、兩個電容和兩個MOSFET開關。其中的開關可由任意降壓穩壓器或控制器驅動。因此，可供使用的開關穩壓器構建模塊有很多。圖1顯示了具備所有必要元件的反相拓撲。
圖1.利用降壓開關穩壓器生成負電壓的反相降壓-升壓拓撲
圖2顯示了帶有ADP2386降壓穩壓器的降壓-升壓電路。如果反相電路使用了降壓穩壓器IC，則該IC的接地連接需連接到生成負電壓的地方。降壓穩壓器的原始輸出電壓連接到系統地。而因為輸出電壓連接到系統地，所以反相拓撲中降壓穩壓器自身的地以生成的負電壓為基準。IC的基準電壓地（圖2中的GND）未連接到系統地。因此，這兩個地的電位不同。開關穩壓器IC接地將成為所生成的負電壓。開關穩壓器IC上的所有引腳現在都以所生成的負電壓為基準，而不是以系統地為基準。因此，從系統到IC或從IC到系統的通信線路和連接需要進行電平轉換，以保障安全通信并防止損壞。通常，相關信號為SYNC、PGOOD、TRACKING、MODE、EN、UVLO和RESET。圖2顯示了電平轉換電路的一個示例，使用了兩個雙極性晶體管和七個電阻（藍色）來產生一個信號。該電路需占用一定的空間，并且增加了電路的復雜性和成本。前面提到的所有信號均必須單獨部署這種電平轉換器。當開關穩壓器IC使用了電源管理總線(PMBus®)等數字總線時，情況將更為復雜。此時，整個總線連接必須采用電平轉換或電氣隔離才能運行。
圖2.外部電平轉換器用于為開關穩壓器IC供電，使用外部時鐘實現同步
專為反相電壓設計的開關穩壓器IC免去了對這種外部電路的使用需求。ADI公司根據降壓穩壓器IC設計了一系列開關穩壓器IC，旨在為系統（即整個電子電路）和反相開關穩壓器IC之間的通信提供便利。電路不需要使用如圖2所示的外部電平轉換結構。
圖3.MAX17579設計為反相降壓-升壓穩壓器，其中已集成電平轉換功能
圖3所示為MAX17579開關穩壓器IC，可以從正電壓產生負電壓。顯而易見的是，圖3所示電路比圖2要緊湊得多。
LTspice®或EE-SIM®設計與評估環境等仿真工具，可以幫助用戶更好地了解反相拓撲中的穩壓行為和潛在的電位差。這些工具還可以用來設計和優化電平轉換電路。MAX17579之類的IC也可以利用EE-SIM設計工具輕松實現仿真。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關于作者
Frederik Dostal是一名擁有20多年行業經驗的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業并于2001年加入National Semiconductor公司，擔任現場應用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，積累了豐富的經驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔任應用工程師，負責開關模式電源產品。他于2009年加入ADI公司，先后擔任多個產品線和歐洲技術支持職位，具備廣泛的設計和應用知識，目前擔任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。
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