在众多电子设计中，电源部分常需提供一个或多个负电压，且通常与对称正电压共存。典型应用包括电动汽车充电器和牵引逆变器的栅极驱动器、高性能模数转换器、数模转换器、轨到轨运算放大器、消费产品的 LCD 显示屏、驱动光电二极管以及 X 射线等医疗应用。

　　文章指出，从正电压电源产生负电压存在诸多要求和设计挑战。例如，在隔离方面，出于安全考虑或无公共接地时，正负电压需与电源隔离；小尺寸对于医疗病人监护仪等应用至关重要；提高效率是新设计的目标之一；对于特殊应用，正负电压需对称且进行调节和时序控制。
　　针对这些需求和挑战，文章介绍了多种解决方案：
　　齐纳二极管：成本低，但效率极低，不适用于大电流和调压场景。

　　电荷泵：无需磁性元件，适用于低功耗需求，但效率低、电磁干扰高，负载电流有限。ADI 提供多种稳压和非稳压电荷泵，如 LTC1983；还有低噪声产品，如 LTC3265。

　　反相转换器：包括使用降压型集成电路的反相降压 - 升压转换器、独立式反相降压 - 升压转换器和双电感器（C?K）反相降压 - 升压转换器。不同拓扑结构各有优缺点，适用于不同的输入输出范围和稳压要求。
　　反激式转换器：可通过变压器轻松产生正负输出电压，但负电压未稳压，需添加负输入 LDO 稳压器。
　　特殊双多拓扑结构转换器：ADI 提供多种此类解决方案，能在一个集成电路内提供两个或更多的正负电压。
　　电源模块解决方案：对于追求小尺寸和集成式电源解决方案的工程师，微型电源模块是不错的选择，如 LTM4655 和 LTM8049。
　　尽管集成电路供应商推广 “无需负电压” 的优势，但在许多高端应用中，对负电压的需求仍然存在。ADI 公司制造了数千种适用的集成电路，设计工程师可根据具体需求在analog.com上搜索，并联系当地 ADI 代表咨询。
　　一、引言
　　在物联网设备、工业传感器、仪表、精密设备和医疗设备等应用中，同时需要正电压和负电压的情况很常见，且正负电压通常需对称，并由单个电源提供。本文将详细介绍从正电压电源产生负电压的市场需求、技术要求及各种解决方案。
　　二、术语定义
　　转换器：一种电源管理集成电路，内部可能集成开关，也可能未集成。
　　稳压器：集成了开关的转换器。
　　控制器：使用外部开关的转换器。
　　三、市场需求
　　在众多电子设计中，电源部分常需提供负电压，典型应用如下：
　　电动汽车充电器和牵引逆变器的栅极驱动器：用于驱动氮化镓（GaN）场效应晶体管（FET）和隔离栅极双极晶体管（IGBT）。
　　高性能模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）以及轨到轨运算放大器：用于工业和医疗应用。
　　消费产品的 LCD 显示屏。
　　驱动（雪崩）光电二极管。
　　X 射线等医疗应用。
　　四、技术要求和设计挑战
　　隔离：出于安全考虑或无公共接地时，正负电压需与电源隔离。例如，电动汽车动力系统中，12V 控制总线经电气隔离后转换为 ±5V 或 ±15V，为牵引逆变器或充电器中的信号链和驱动集成电路供电。
　　小尺寸：对于医疗病人监护仪等应用，小型化是关键设计目标，需要微型解决方案为高精度转换器供电。
　　效率：提高效率是新设计的目标之一，如运算放大器应用中，使用更低轨电压且降低产生轨电压的功耗可提高效率。
　　时序和对称性：对于特殊应用，正负电压需对称，且差异极小，需调节和时序控制。
　　五、解决方案
　　齐纳二极管
　　原理：通过 Dz 和 Rz 对 V3 源的输出进行分压，产生正负电压。
　　优点：成本低，无需额外集成电路。
　　缺点：效率极低，不适用于大电流和调压场景。
　　电荷泵
　　原理：将正输入电压反相，无需磁性元件。
　　优点：解决方案简单、外形小巧。
　　缺点：效率低，可能产生较高电磁干扰（EMI），负载电流有限。
　　产品示例：ADI 的 LTC1983 适用于低功耗需求；LTC3265 集成低噪声 LDO 稳压器，适用于低噪声 / 低 EMI 要求的应用。
　　反相转换器
　　使用降压型集成电路的反相降压 - 升压转换器
　　原理：将典型同步降压转换器的输出侧与电路接地切换，产生反相降压 - 升压（IBB）转换器。
　　优点：市面上同步降压稳压器或控制器选择多，ADI 的 Silent Switcher? 单片降压稳压器可配置为 IBB，产生低噪声负电压轨。
　　缺点：集成电路参考降压转换器接地，非系统接地，可能需外部电平转换器。
　　独立式反相降压 - 升压转换器
　　异步 IBB：使用 PMOS 作为主开关，二极管替代同步开关，IC 可参考系统接地，无需电平转换器，但效率较低。
　　集成了电平转换器的降压型 IBB：将电平转换器集成到 IC 中，方便设计师使用。高功率和高效率场景推荐使用 LTC3896。
　　双电感器（C?K）反相降压 - 升压转换器
　　原理：包含两个电感器和一个耦合电容，可产生负输出电压，噪声小。
　　优点：结构简单，仅需一个低端开关，效率高，输出纹波可降低，电流连续。
　　产品示例：LT8330 等。
　　反激式转换器
　　原理：通过变压器输出侧增加绕组，配合隔离二极管产生正负输出电压。
　　优点：方便产生正负电压。
　　缺点：负电压未稳压，需添加负输入 LDO 稳压器。
　　特殊双多拓扑结构转换器
　　原理：采用先前提到的拓扑结构，在一个集成电路内提供两个或更多的正负电压。
　　产品示例：双 42VIN、3A 升压 / 反相稳压器 LT8582 等。
　　电源模块解决方案
　　原理：提供现成的完全集成式电源解决方案。
　　优点：尺寸超小，节省设计和故障排除工作。
　　产品示例：LTM4655 和 LTM8049。
　　六、结论
　　尽管集成电路供应商推广 “无需负电压” 的优势，但在许多高端应用中，对负电压的需求仍然存在。ADI 公司提供多种适用的集成电路，设计工程师可根据具体需求选择合适的产品。