负电压图
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4.3~10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
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。
on s
on s
dis
v be
i
i
i switch +i
v v
be
i i
v v
v
i switch +i Vin22uH
L2
220uH
L1
3.6V
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(3V~16V),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：
IN
OUT OUT V V V Duty
CCM
+=
OUT IN 1V V +=C V R4
R3-
=S
O V V
R210K Vo
Vs V O =-V S
R3=R4=10K
OUT IN V V +=Switch V OUT
IN V V +=Diode V
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 的输入范围是2.5V~5.5V, 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)
on
s
on s
dis
v be
i L
v v be
i L
v i i switch
i diode
i
图6、Buck/Boost 电路的时序图.
Buck/Boost 的占空比表达式：
IN
OUT OUT V V V Duty
CCM
+=
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。
OUT IN V V +=Switch V OUT
IN V V +=Diode V