13. 负压电源模块

模块描述

负压电源模块将正电压转换为负电压输出，为运放、ADC、LCD驱动等需要负电源的电路供电。采用电荷泵（如ICL7660、LTC1044）或反激变换器（如MC34063）实现正负转换。输出电压可为固定负压（-5V、-12V）或可调负压。具有体积小、效率高、纹波低等特点。在电赛中用于双电源运放、音频放大器、精密测量电路等，是模拟电路必备的电源模块。

工作原理

方案一：电荷泵（小功率<100mA）
[+5V] → [ICL7660] → [-5V]
          ↓
     [电容开关网络]
     C1充电：Vin → C1
     C1转移：C1 → Cout (倒置)

方案二：反激变换器（大功率>500mA）
[+12V] → [MC34063] → [变压器] → [整流] → [-12V]
          ↓            ↓           ↓
       [PWM开关]   [能量传递]  [反向输出]

工作原理（电荷泵）：
时钟高电平：C1+ → Vin, C1- → GND (充电)
时钟低电平：C1+ → GND, C1- → Vout (倒置输出)
输出电压：Vout ≈ -Vin (理想情况)

技术指标

- 电荷泵方案: ICL7660 / LTC1044 / MAX1044

  1. 输入电压：+3V至+12V
  2. 输出电压：-3V至-12V
  3. 输出电流：最大100mA
  4. 效率：90-96%
  5. 纹波：<50mV

- 反激方案: MC34063 + 变压器

  1. 输入电压：+5V至+24V
  2. 输出电压：-5V至-24V可调
  3. 输出电流：最大1A
  4. 效率：75-85%
  5. 纹波：<100mV

接口管脚定义（ICL7660）

管脚 名称 功能 说明
————————
1 CAP+ 电容正 连接C1正极
2 V+ 正电源 输入+5V
3 GND 地 公共地
4 CAP- 电容负 连接C1负极
5 Vout 负输出 -5V输出
6 LV 低压 接V+提升效率
7 OSC 振荡器 外接电容调频
8 V+ 正电源 同Pin2

板上设置和信号指示

- 电荷泵电容: C1=10μF/16V (ICL7660推荐) - 输出电容: Cout=100μF/16V低ESR - 输入电容: Cin=10μF去耦 - 二极管: 低压降肖特基二极管（反激方案） - 变压器: 1:1隔离变压器（反激方案） - 电压表: 数字电压表监测负压输出 - LED指示: 负压就绪指示灯 - 保护: 输出短路保护、过流保护

电气指标

电荷泵方案（ICL7660）: - 输入电压: +3V至+12V - 输出电压: -0.99×Vin (典型) - 输出电流: 最大100mA (12V输入), 40mA (5V输入) - 压降: Vout = -Vin + 2×Ron×Iout，Ron≈50Ω - 效率: 96% (轻载), 90% (重载) - 开关频率: 10kHz (外接电容可调) - 纹波: 5mV (Cout=100μF) - 静态电流: 170μA

反激方案（MC34063）: - 输入电压: +5V至+24V - 输出电压: -5V至-24V - 输出电流: 最大1A - 效率: 75-80% - 开关频率: 100kHz - 纹波: <100mV - 负载调整率: <1%

使用说明

1. 方案选择: <100mA用电荷泵，>100mA用反激或Buck-Boost 2. 电容选择: C1和Cout使用低ESR电解电容或MLCC 3. 电流限制: ICL7660限流100mA，超过需并联或换方案 4. 纹波抑制: 输出并联大电容+小瓷片电容 5. 共地: 正负电源共地，单点接地 6. 负载测试: 逐步加载测试输出电压和纹波 7. 效率测量: 输入功率计+输出功率计 8. 保护: 加输出限流和短路保护电路

全国大学生电子设计竞赛相关赛题

- 2007年A题: 音频信号分析仪（运放双电源） - 2005年: 高精度测量系统（ADC负电源） - 2013年: 射频功率放大器（运放电源） - 历年: 几乎所有模拟电路题目（运放供电）

应用技术要点总结

1. 电荷泵倍增: 两级级联可得-2×Vin或正负双输出 2. 效率优化: LTC1044比ICL7660效率高5% 3. 大电流: 并联多片ICL7660或使用反激方案 4. 低纹波: 输出LC滤波器+稳压管钳位 5. 双电源: +5V/-5V双输出供运放使用 6. 隔离: 反激变压器实现输入输出隔离 7. 可调负压: 反激方案配TL431反馈调节输出 8. EMC: 高频开关加磁珠滤波和屏蔽