正负电压是根据参考零点(零电平,或者地)而定,最经典的零电平是大地,也就是地球的地壳。但并不是所有的零电平就是大地,因为电路图中的零电平实际上是由设计者自行设定的。电源是提供电动势的装置,它的正负极之间有一个电势差,比如说5v的电源,它的正负极之间的电压差就是5v,一般使用的时候,就把5v接到用电器的正极,负极接用电器负极,在分析的时候可以把负极视为参考的地,也就是参考零电平。这个时候,这个电源我们就把它叫作正电源,因为它的正极相对于地的电压是5v。
如果是两个完全一样的5v电源串联(类似手电筒里面两节串联电池),在两个电源连接点上引出一根线,把这根线的电压认为是0,这时候串联电源的正极端电压是5v,而负极端相对于那个0电压就是-5v,负电源就是这样诞生的。
有些芯片需要正负电源同时提供才能正常工作,最典型的就是双电源供电的运算放大器,我们有时候需要得到一个正弦波,要求这个正弦波是在零电压上下不断变化(即中点是0v),这个时候就必须用到正负电源了。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,负电压设计根据不同的负载电流有很多不同方案,下面浅谈下比较常见的负电压设计方案。
1、工频变压器输出正负电压方案
该电路优点是电路结构简单、极低干扰噪声、稳定性好。缺点是输入交流电范围窄(一般是220vac±5%),体积重量大。虽然此电路缺点明显,目前还是有一些应用采用此方案设计。此方案主要是利用变压器产生负电压再通过线性稳压器7905进行稳压。
2、电源模块输出负电压方案
由于电子元件制造工艺技术越来越好,能量损耗越来越低,有利于电源模块化发展。而且在设计上也能做到小型化,轻量化设计。
可以采用有负电压输出的非隔离电源模块,按正输出与负输出接法,实现负电压输出。在电力、工业、通讯等对抗干扰性能要求较高的场合,一般需要对电源进行隔离处理来隔离从总电源端的干扰。此种应用时如果需要用到负电压,可以直接采用隔离电源模块直接输出正负电压给系统供电。
3、buck-boost拓扑设计输出负电压方案
除了采用隔离电源模块方案,我们还可以选择芯片自己设计负压电路,下面介绍下比较容易设计的非隔离负电压输出buck-boost电路。只需要主控芯片、电感、电容等芯片,目前mps的dc-dc电源芯片都支持buck-boost的设计结构,可以根据不同输出电流选择合适型号。如下图所示:
从图中的拓扑可以看出输入电压与输出电压极性是相反的,因此buck-boost拓扑结构又简称为倒相拓扑。
上图是采用mp2359dt设计的-15v电源电路,mp2359dt是采用sot23-6的封装,整个电路占用pcb面积较小。
负电压输出电源电路设计方案多种多样,哪一个方案适合你的设计,还需要综合考虑不同应用、不同产品要求而决定。
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