【導讀】電子電路中負電壓需求有幾種，一種是隔離式的負電壓，在電力、通訊等對抗干擾性能要求較高的場(chǎng)合，需要隔離前端電源輸入的干擾，這個(gè)時(shí)候可以基于變壓器添加繞組來(lái)產(chǎn)生負電壓，或者也可以采用隔離式的電源模塊輸出負電壓給系統供電。另一種是非隔離式的負電壓，通過(guò)正輸入電壓，使用Charge Pump, Buck-Boost, Buck, Sepic 等拓撲結構電壓芯片等來(lái)產(chǎn)生負電源。
本文介紹基于Vishay SiP12109 COT BUCK拓撲的同步降壓轉換器產(chǎn)生負電壓, 通過(guò)簡(jiǎn)單修改電路的參考節點(diǎn)，內部低端 MOSFET 產(chǎn)生電流斜坡反饋，無(wú)需補償，外部組件僅需功率電感、輸入電容去耦和自舉電容器，遠比線(xiàn)性調節器的效率更高，原理如下圖所示。
圖1 a) 同步降壓 b) 負輸出降壓
圖2 負輸出降壓拓撲結構
電路的控制與標準降壓轉換器的控制是相同的，但是感應器從VOUT 到 0V 的節點(diǎn)連接變化上存在著(zhù)關(guān)鍵的差異，導致電路電流的改變，隨之會(huì )產(chǎn)生負輸出電壓，芯片輸出的 0V 現在變成負輸出電壓。
圖3 - 圖2的節點(diǎn)波形模擬
上圖MOSFET 驅動(dòng)器波形可以參見(jiàn)圖 3，它與標準降壓轉換器類(lèi)似，LX 電壓波形范圍介于 -3.3V 到 +12V 之間, IM1和IM2電流波形對應的是M1和M2分別導通時(shí)的電流波形。
圖4 參考原理圖
圖4為參考原理圖，整體設計技術(shù)規格如下所示：VIN = 12V，VOUT = -3.3V，Fsw= 600khz，Iout = 3A，Vripple = 150mV，Vin_ripple = 100mV。
圖5 測試條件下的效率測量
可見(jiàn)，對于需要負電源而且系統中只有正電源輸入時(shí)，Vishay的同步降壓調節器可以提供簡(jiǎn)單和高效的方法，效率能超過(guò) 90%。
Vishay 同步降壓電源芯片有一系列產(chǎn)品組合，分為 DrMOS、microBUCK、microBRICK 三個(gè)系列，對應不同的組件集成組合，如下圖所示。
圖6 Power IC集成示意圖
紅框所示DrMOS系列是將柵極驅動(dòng)器和MOSFET工藝集成在一起，藍框 microBUCK系列在DrMOS基礎上優(yōu)化集成了PWM 控制器，而綠框microBRICK系列則是在microBUCK 基礎上進(jìn)一步集成了外圍的電感器件，極大縮小了外圍器件數量。
圖7 Vishay DrMOS 功率級產(chǎn)品路線(xiàn)圖
圖8 microBuck和microBRICK最新產(chǎn)品路線(xiàn)圖
最新的DrMOS 采用了第 4 代/第 4.5 代的 MOSFET 工藝，與上一代的 DrMOS 器件相比，DrMOS 效率提升了 3%，工作溫度減低超過(guò) 50℃，而占板面積卻壓縮了 33%，提升了整體的功率密度效益。microBUCK可以支持 4.5V~60V很寬的輸入電壓范圍，支持單相最高輸出電流達 40A應用，在效率方面也很出色，在峰值功率時(shí)的效率高達 98.5%。microBRICK模塊巧妙地利用了電感固有的特性，通過(guò)創(chuàng )新的3D 封裝絕招，使電感成為優(yōu)化高功率密度模塊散熱性能的，消除了 PCB 電感器與開(kāi)關(guān)節點(diǎn)之間的互連電阻，減少了總損耗，保持了高效率的優(yōu)勢，使設計人員可以擴展以實(shí)現成本和性能的最佳組合。
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