如何在專業(yè)音頻應(yīng)用中生成負(fù)電源軌？
2020-9-16 12:12:05??????點(diǎn)擊：
[導(dǎo)讀]我們都知道電荷泵芯片方案是最為簡單且性價(jià)比較高的方案，但是適用于 200mA 以下負(fù)載電流的應(yīng)用場景，專業(yè)音頻產(chǎn)品系統(tǒng)產(chǎn)品中會使用到多種多樣的運(yùn)算放大器。
我們都知道電荷泵芯片方案是最為簡單且性價(jià)比較高的方案，但是適用于 200mA 以下負(fù)載電流的應(yīng)用場景，專業(yè)音頻產(chǎn)品系統(tǒng)產(chǎn)品中會使用到多種多樣的運(yùn)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，還會需要負(fù)電源軌進(jìn)行供電(例如常見的負(fù)電壓值有 -5V，-12V 和 -15V 等)，且對供電電源軌的噪聲也相當(dāng)有要求。除了噪聲要求之外，根據(jù)專業(yè)音頻產(chǎn)品的形態(tài)分類，電源軌部分的設(shè)計(jì)還會考慮效率，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; 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單以減小 PCB 面積從而滿足產(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(fù)電源軌生成方案，通過對比不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，來幫助大家選擇到適合自己產(chǎn)品的低噪聲，高效率的負(fù)電源軌設(shè)計(jì)方案。
目前市面上可見的幾種生成負(fù)電源軌的方案有：電荷泵芯片方案，使用升壓芯片結(jié)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(dú)家方案。
電荷泵芯片方案：
電荷泵芯片通常內(nèi)部組成主要為電容和開關(guān)，通過開關(guān)的開啟關(guān)閉來控制電荷泵內(nèi)部電容的充放電(即開關(guān)電容)來產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。以下為 LM2776 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖為例，在充電階段，S1 與 S3 開關(guān)閉合 (S2 和 S4 開關(guān)為斷開狀態(tài))，開關(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 開關(guān)閉合 (S1 和 S3 為斷開狀態(tài))，此時(shí)開關(guān)電容的陽極接地，陰極接 VOUT，若負(fù)載電流為 0，VOUT 即為 -VIN。若負(fù)載電流不為 0，計(jì)算 VOUT 的值還需考慮 MOSFET 開關(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(fù)電源軌的外圍電路也很簡單，不需要電感元件，只需要幾個(gè)常見的小電容，因此電荷泵芯片方案的成本也比較低。不過，在使用電荷泵芯片方案產(chǎn)生負(fù)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(fù)電源軌的方案能驅(qū)動的負(fù)載電流比較小，通常最大負(fù)載電流在 200mA 左右, 若驅(qū)動大電流負(fù)載，VOUT 會急劇變化且芯片效率也會受影響。
使用普通的電荷泵芯片產(chǎn)生的負(fù)輸出電壓的紋波都會比較大，若需要給運(yùn)放等對紋波有要求的模擬器件供電，還需要在負(fù)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(fù)電源軌紋波大的問題，德州儀器在 LM2776 的基礎(chǔ)上發(fā)展出了內(nèi)部集成了一顆負(fù) LDO 的電荷泵芯片， LM27761。下圖為 LM27761 的典型應(yīng)用示意圖：
您還可以通過使用 TI 免費(fèi)在線仿真軟件 WEBENCH 來創(chuàng)建 LM27761 的定制設(shè)計(jì)，進(jìn)行線上仿真，生成可導(dǎo)出的 PCB 文件及核算 BOM。如下方為使用 WEBENCH 設(shè)計(jì)出來的 LM27761 參考電路，VIN=5.5V, VOUT=-5V, IOUT=50mA。
此外, 在某些應(yīng)用中，例如耳機(jī)等，敏感的模擬負(fù)載需要兩個(gè)供電電壓：一個(gè)正電壓和一個(gè)負(fù)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(jié)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(cuò)的選擇， 它的內(nèi)部同時(shí)集成了正 LDO 與負(fù) LDO，能同時(shí)產(chǎn)生正負(fù)兩個(gè)低噪的輸出電壓給敏感器件供電。
我們都知道電荷泵芯片方案是最為簡單且性價(jià)比較高的方案，但是適用于 200mA 以下負(fù)載電流的應(yīng)用場景，專業(yè)音頻產(chǎn)品系統(tǒng)產(chǎn)品中會使用到多種多樣的運(yùn)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，還會需要負(fù)電源軌進(jìn)行供電(例如常見的負(fù)電壓值有 -5V，-12V 和 -15V 等)，且對供電電源軌的噪聲也相當(dāng)有要求。除了噪聲要求之外，根據(jù)專業(yè)音頻產(chǎn)品的形態(tài)分類，電源軌部分的設(shè)計(jì)還會考慮效率，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; 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單以減小 PCB 面積從而滿足產(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(fù)電源軌生成方案，通過對比不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，來幫助大家選擇到適合自己產(chǎn)品的低噪聲，高效率的負(fù)電源軌設(shè)計(jì)方案。
目前市面上可見的幾種生成負(fù)電源軌的方案有：電荷泵芯片方案，使用升壓芯片結(jié)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(dú)家方案。
電荷泵芯片方案：
電荷泵芯片通常內(nèi)部組成主要為電容和開關(guān)，通過開關(guān)的開啟關(guān)閉來控制電荷泵內(nèi)部電容的充放電(即開關(guān)電容)來產(chǎn)生負(fù)輸出電壓。以下為 LM2776 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖為例，在充電階段，S1 與 S3 開關(guān)閉合 (S2 和 S4 開關(guān)為斷開狀態(tài))，開關(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 開關(guān)閉合 (S1 和 S3 為斷開狀態(tài))，此時(shí)開關(guān)電容的陽極接地，陰極接 VOUT，若負(fù)載電流為 0，VOUT 即為 -VIN。若負(fù)載電流不為 0，計(jì)算 VOUT 的值還需考慮 MOSFET 開關(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(fù)電源軌的外圍電路也很簡單，不需要電感元件，只需要幾個(gè)常見的小電容，因此電荷泵芯片方案的成本也比較低。不過，在使用電荷泵芯片方案產(chǎn)生負(fù)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(fù)電源軌的方案能驅(qū)動的負(fù)載電流比較小，通常最大負(fù)載電流在 200mA 左右, 若驅(qū)動大電流負(fù)載，VOUT 會急劇變化且芯片效率也會受影響。
使用普通的電荷泵芯片產(chǎn)生的負(fù)輸出電壓的紋波都會比較大，若需要給運(yùn)放等對紋波有要求的模擬器件供電，還需要在負(fù)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(fù)電源軌紋波大的問題，德州儀器在 LM2776 的基礎(chǔ)上發(fā)展出了內(nèi)部集成了一顆負(fù) LDO 的電荷泵芯片， LM27761。下圖為 LM27761 的典型應(yīng)用示意圖：
您還可以通過使用 TI 免費(fèi)在線仿真軟件 WEBENCH 來創(chuàng)建 LM27761 的定制設(shè)計(jì)，進(jìn)行線上仿真，生成可導(dǎo)出的 PCB 文件及核算 BOM。如下方為使用 WEBENCH 設(shè)計(jì)出來的 LM27761 參考電路，VIN=5.5V, VOUT=-5V, IOUT=50mA。
此外, 在某些應(yīng)用中，例如耳機(jī)等，敏感的模擬負(fù)載需要兩個(gè)供電電壓：一個(gè)正電壓和一個(gè)負(fù)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(jié)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(cuò)的選擇， 它的內(nèi)部同時(shí)集成了正 LDO 與負(fù) LDO，能同時(shí)產(chǎn)生正負(fù)兩個(gè)低噪的輸出電壓給敏感器件供電。
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