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

- **反激方案**: MC34063 + 变压器
  - 输入电压：+5V至+24V
  - 输出电压：-5V至-24V可调
  - 输出电流：最大1A
  - 效率：75-85%
  - 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

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