我們都知道電荷泵芯片方案是最為簡(jiǎn)單且性?xún)r(jià)比較高的方案，但是適用于 200mA 以下負載電流的應用場(chǎng)景，專(zhuān)業(yè)音頻產(chǎn)品系統產(chǎn)品中會(huì )使用到多種多樣的運算放大器，ADC 和 DAC 等器件，這些器件有時(shí)候不僅需要正電源軌進(jìn)行供電，還會(huì )需要負電源軌進(jìn)行供電(例如常見(jiàn)的負電壓值有 -5V，-12V 和 -15V 等)，且對供電電源軌的噪聲也相當有要求。除了噪聲要求之外，根據專(zhuān)業(yè)音頻產(chǎn)品的形態(tài)分類(lèi)，電源軌部分的設計還會(huì )考慮效率，PCB 面積，成本等等因素。例如，帶電池的產(chǎn)品中希望電源軌的高效率以延遲電池的使用時(shí)長(cháng); 手持式 / 便攜式產(chǎn)品中希望電源軌的外圍電路盡可能的簡(jiǎn)單以減小 PCB 面積從而滿(mǎn)足產(chǎn)品的體積要求。
生成正電源軌的不同方案已經(jīng)為大家所熟知，因此這篇博客主要跟大家分享一下不同的負電源軌生成方案，通過(guò)對比不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，來(lái)幫助大家選擇到適合自己產(chǎn)品的低噪聲，高效率的負電源軌設計方案。
目前市面上可見(jiàn)的幾種生成負電源軌的方案有：電荷泵芯片方案，使用升壓芯片結合電荷泵電路的方案，降壓芯片 VOUT 與 GND 反接方案，反向 BUCK-BOOST 芯片方案以及反向 BUCK 芯片方案 。其中反向降壓芯片方案為 TI 獨家方案。
電荷泵芯片方案：
電荷泵芯片通常內部組成主要為電容和開(kāi)關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟關(guān)閉來(lái)控制電荷泵內部電容的充放電(即開(kāi)關(guān)電容)來(lái)產(chǎn)生負輸出電壓。以下為 LM2776 的內部結構示意圖為例，在充電階段，S1 與 S3 開(kāi)關(guān)閉合 (S2 和 S4 開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)狀態(tài))，開(kāi)關(guān)電容被連接在輸入電壓與地之間, 充電電容被充電到輸入電壓 VIN;在放電階段，S2 和 S4 開(kāi)關(guān)閉合 (S1 和 S3 為斷開(kāi)狀態(tài))，此時(shí)開(kāi)關(guān)電容的陽(yáng)極接地，陰極接 VOUT，若負載電流為 0，VOUT 即為 -VIN。若負載電流不為 0，計算 VOUT 的值還需考慮 MOSFET 開(kāi)關(guān)的寄生電阻，電容的 ESR 以及電容充放電時(shí)的電荷損失等。
電荷泵芯片產(chǎn)生負電源軌的外圍電路也很簡(jiǎn)單，不需要電感元件，只需要幾個(gè)常見(jiàn)的小電容，因此電荷泵芯片方案的成本也比較低。不過(guò)，在使用電荷泵芯片方案產(chǎn)生負電源軌的方案時(shí)，有兩個(gè)點(diǎn)需要注意：
電荷泵芯片產(chǎn)生負電源軌的方案能驅動(dòng)的負載電流比較小，通常最大負載電流在 200mA 左右, 若驅動(dòng)大電流負載，VOUT 會(huì )急劇變化且芯片效率也會(huì )受影響。
使用普通的電荷泵芯片產(chǎn)生的負輸出電壓的紋波都會(huì )比較大，若需要給運放等對紋波有要求的模擬器件供電，還需要在負輸出電壓后添加一顆 LDO 芯片，以提高 PSRR, 降低紋波及噪聲。
為了解決電荷泵芯片產(chǎn)生的負電源軌紋波大的問(wèn)題，德州儀器在 LM2776 的基礎上發(fā)展出了內部集成了一顆負 LDO 的電荷泵芯片， LM27761。下圖為 LM27761 的典型應用示意圖：
您還可以通過(guò)使用 TI 免費在線(xiàn)仿真軟件 WEBENCH 來(lái)創(chuàng )建 LM27761 的定制設計，進(jìn)行線(xiàn)上仿真，生成可導出的 PCB 文件及核算 BOM。如下方為使用 WEBENCH 設計出來(lái)的 LM27761 參考電路，VIN=5.5V, VOUT=-5V, IOUT=50mA。
此外, 在某些應用中，例如耳機等，敏感的模擬負載需要兩個(gè)供電電壓：一個(gè)正電壓和一個(gè)負電壓， 且兩個(gè)供電電源軌都需要干凈。如果電源輸入端(例如單節鋰電池)上存在一些噪聲，正電壓處也需要一個(gè) LDO 才能將噪聲降至可接受范圍。此時(shí)，LM27762 是個(gè)不錯的選擇， 它的內部同時(shí)集成了正 LDO 與負 LDO，能同時(shí)產(chǎn)生正負兩個(gè)低噪的輸出電壓給敏感器件供電。 |
