使用 LTspice 和负电压发生器探索负电压

电容器：负电压发生器

首先，让我们从我能想到的简单的负电压产生电路之一开始，它由一个脉冲电压源、一个电容器和一个电阻组成。这个电路可以在下面的图 1 中看到。

图 1.带有脉冲电压源、电容器和电阻器的负电压生成电路示例。

该电路的瞬态仿真产生了一个具有熟悉模式的波形（图 2）；如果您曾在电子实验室花过一些时间试验电路，您可能已经见过类似的东西。

图 2.来自图 1 的瞬态仿真的示例波形。

显然，我们产生了负电压。我不会将其称为负电压电源，因为该电路无法产生稳定的负电压来为其他组件供电；然而，该模拟表明负电压并非仅由复杂电路产生的奇异现象。

考虑到这一点，这里到底发生了什么？让我们来看看。

当电源电压从 0 V 转变为 5 V 时，电容器的左侧也转变为 5 V；正源极端子和电容器的左侧端子实际上是相同的节点，因此它们必须具有完全相同的电压。图中标记为 V(load) 的电容器右侧端子的电压跟踪电源电压的上升沿，因为电容器对快速变化的电压几乎是“透明的”。请注意，正如All About Circuits 教科书所解释的那样，通过电容器的电流与电压变化率成正比。

当电源电压稳定在 5 V 时，电容器充电。电容器现在的功能类似于开路，这意味着它会阻止本来由电源电压提供的电流，并开始通过电阻器放电。当电源电压转换回 0 V 时，电容器部分放电，这就是事情变得有趣的地方。

电源电压从 5 V 跃升至 0 V，但电容器两端的电压不能瞬间改变——电容器需要时间来释放其存储的电荷。由于电容器的左侧端子与电源的正极端子具有相同的电压，因此电容器的右侧端子必须快速降低 5 V，以使电容器两端的电压保持不变。如果电容器的右侧端子为 1.5 V 并且必须降低 5 V，则只有一个地方可以去：进入负电压区域。 

正如我在前面提到的文章中解释的那样，正电压和负电压都为电流提供能量，但对于负电压，电流从零电压参考节点流入负电压节点。如果我们向图中添加电流迹线，我们可以在仿真中看到这种行为（图 3）。

图 3.显示添加了电流迹线的仿真图。 

在图 3 中，请注意负载电压为负时电流如何为负。负电流并不意味着电荷通过导体的运动“小于零”。它只是意味着电流的方向与参考方向相反。在此仿真中，向下流过电阻器的电流被定义为正电流，由于负 V(load) 导致电流从接地节点流出，然后向上流过电阻器，LTspice 将电流识别为负电流。

电容器和开关：负电压电源

借助一些压控开关和一个额外的电容器，我们可以将电容器转换为产生稳定电压并为其他组件供电的负电压发生器。考虑下面图 4 中所示的电路；这是开关电容逆变器的 LTspice 版本。

图 4. LTspice 版本的开关电容器逆变器图。

图 5 显示了一个更简化的示意图示例。

图 5.使用开关电容器拓扑生成反向电源电压的 IC 简化示意图示例。图片由Analog Devices提供

基本思想是，我们将电容器 (C1) 充电至输入电压 (V IN )，将充电的电容器与输入源断开，然后将充电的电容器连接至第二个电容器 (C2)，从而使较高电压端C1 的接地端子与 C2 的接地端子配对。这种开关技术迫使 C2 另一端的电压相对于地降低 V IN伏特。因此，输出电压转移到负电压区域。

或许您能理解为什么这种电路也称为电荷泵。我们将电荷从输入电源泵送到一个电容器，然后泵送到第二个电容器，其端子以反转电压的方式连接。泵送动作由 控制开关的方波控制。

简化示意图中显示的数字逆变器确保 S1 和 S3 导通，而 S2 和 S4 关闭，反之亦然。在我的 LTspice 电路中，两个压控开关由同一个方波控制。我通过定义两个不同的 SW 模型来简单地施加适当的开/关关系：

• SW1 在“开”状态下具有低电阻，在“关”状态下具有高电阻
• SW2 在“开”状态下具有高电阻，在“关”状态下具有低电阻

下面是 LTspice 原理图中标记为 INVERTED 的输出电压图。

图 6.输出电压图，在 LTspice 原理图中标记为 INVERTED。

如果我们放大，我们可以在图 7 中看到电路需要一点时间来将其一路抽至负 V IN。

图 7.电路仿真图的放大版本。 

使用 LTspice 了解负电压

我希望这些模拟能帮助您更多地了解什么是负电压，以及普通元件如何导致电压偏移到“地”以下，即低于电路的参考电压。我计划在以后的文章中进一步探讨 LTspice 开关电容器逆变器的设计和性能。