电路中，很多地方需要负电压。本文介绍如何使用异步降压开关稳压芯片（Asynchronous Buck/Step-Down Switching Regulator）产生负电压的方法。
电感产生负电压的原理
反相升降压（Inverting Buck-Boost）电路。它利用了电感“电流不能突变”的特性，像一个抽水机一样，把电荷从输出端“抽”向地，从而产生负电压。
我们可以分两个阶段来拆解这个过程：
阶段一：开关 S1 闭合（储能阶段）
-
回路：电流从 VIN (5V) 流出，经过开关 S1，直接流向电感 L1，最后回到系统地（GND）。 -
电感状态：此时电感 L1 两端的电压为上正下负。电感开始“充能”，电流线性上升，能量以磁场的形式存储在 L1 中。 -
二极管状态：由于 SW 点的电位是 5V，而输出端 VOUT 此时是负压（或 0V），二极管 D1 处于反向截止状态，输入端的电流不会流向输出端。
阶段二：开关 S1 断开（放电/产生负压阶段）
-
物理特性：当 S1 突然断开，电感 L1 为了维持电流方向不变（电流必须继续向下流向地），它会瞬间改变自身的电压极性。 -
极性翻转：此时电感 L1 变成了一个“电池”，它的上端（SW点）变成了负电位。 -
回路：为了维持电流，它必须从外界“吸”电流。由于 S1 断开，电流只能从 VOUT 经过二极管 D1 抽过来。 -
路径：VOUT → D1 → L1 → GND。 -
结果：电流从输出电容 C1 的上极板被“抽走”，导致 VOUT 上的电荷减少，电位持续下降，最终跌破 0V 变成负电压。
Buck降压典型电路
可将降压型稳压芯片配置为反相降压-升压（Inverting Buck-Boost）拓扑结构，使输出电压相对于地为负值。
学习产生负压前先看下异步降压型开关稳压芯片典型电路。
什么是“异步”？
在开关稳压电路中，通常有两个“开关”。
-
同步（Synchronous）： 内部集成两个 MOSFET 轮流导通。 -
异步（Asynchronous）： 内部只有一个高压侧开关管（上管），而在低压侧使用一个外部二极管（D1）进行续流。上图中的 1N5817 肖特基二极管 就是这个“异步”组件。
异步降压电路的工作就像是一个不断开关的水龙头和一个小水桶（电感）。
图a是开关导通阶段，图b是开挂断开阶段。
第一阶段：开关导通（ON）
-
路径： 芯片 LT1616 内部的开关管闭合，电流从 VIN 流向 SW 引脚，经过 L1，流向 VOUT 和负载。 -
储能： 电流流过电感 L1 时，电感会产生磁场储存能量。 -
二极管状态： 此时 SW 点电压接近 VIN（5V），二极管 D1 处于反向截止状态，不工作。
第二阶段：开关断开（OFF）
-
惯性续流： 内部开关断开，VIN 被切断。但电感 L1 具有“电流不能突变”的特性，它会产生一个感应电动势来维持电流继续流动。 -
回路： 电流会从 GND 出发，穿过二极管 D1，流过 L1 补充给输出端。 -
二极管作用： 此时 D1 导通，充当了电流回归的“单向阀门”。这就是“异步续流”过程。
也可以把 L1、C1 理解为 LC 滤波电路。
输出电压和输入电压的关系如下：
其中，D 是占空比。
Buck电路产生负电压
将异步 Buck 降压典型电路做如下改动，可以使之产生负电压：
-
对调电感和二极管 -
把芯片的 GND 接到输出 VOUT 上
对于上面两个改动，也有一些学者将其描述为对调输出 VOUT 和 芯片 GND:
其实，上面两个电路是一样的。
使用异步降压（Buck）芯片产生负电压，其核心原理是将标准的 Buck 拓扑 巧妙地重构成 反相升降压（Inverting Buck-Boost）拓扑。
工作过程分为两个阶段：
阶段一：内部开关导通（储能阶段）
-
路径：芯片内部开关管闭合，电流从 流入，通过 SW 引脚进入电感 ，最后流向 系统地。 -
能量转换：此时电感 两端电压为上正下负。电流线性上升，电感以磁场形式储存能量。 -
二极管状态：此时 SW 点为高电平，二极管 处于反向截止状态。
阶段二：内部开关断开（放电/抽电阶段）
-
电流续流：当开关断开时，由于电感电流不能突变，电感 会产生感应电动势以维持原方向的电流（向地流动）。 -
极性翻转：为了维持电流，电感上端的电位（SW 点）会瞬间被拉低，跌破 0V 变成负电位。 -
回路形成：电流迫使二极管 导通。此时，电感从输出电容 中“抽走”电荷。 -
路径：。 -
结果：由于电荷被持续抽向地，输出端 对地形成负电压。
输出电压和输入电压的关系如下：
芯片如何实现自我管理？
在负电压这种接法下，芯片被“欺骗”了，但它依然能稳定工作：
-
工作电源：芯片看到的输入电压不再是 ，而是 ****（因为芯片 GND 接在 上）。例如，输入 5V，输出 -5V，芯片实际承受的压力是 10V。 -
反馈控制：反馈电阻 接在系统地与 FB 之间， 接在 FB 与芯片 GND（即 ）之间。芯片通过维持 FB 引脚相对于其自身 GND 引脚的电压稳定，从而实现了对负输出电压的精确调节。
关键设计注意事项
-
耐压极限：选择芯片时，必须确保其额定最大电压大于 ，否则芯片会烧毁。 -
输入输出不共地：输入电源的地（Vin）和系统基准地（GND）不再是同一点。 -
电容极性：如果使用电解电容，务必检查 VOUT 滤波电容的极性方向。 -
电流能力：在负压模式下，电感平均电流为输入电流与负载电流之和，这比普通降压模式要大，需选用饱和电流更高的电感。 -
异步优势：使用如 LT1616 这样的异步芯片（带外部续流二极管）在改负压时非常方便，因为外部二极管的极性可以自由调整。
总结
-
拓扑演变：通过将异步 Buck 芯片的 GND 和输出端V OUT 对调，可以将 Buck（降压） 结构重构为 Inverting Buck-Boost（反相升降压）。 -
能量守恒：
-
开关导通时：电感 L1 向系统地储能，此时输出端由电容供电。 -
开关断开时：电感产生反向感应电动势，通过二极管从 VOUT “抽走”电荷流向地，从而在 VOUT 形成负电位。 -
设计核心：
-
芯片 GND 悬浮：芯片的参考电位变为了负电压，因此输入耐压必须满足 。 -
异步优势：异步芯片外接的续流二极管方便极性对调，是实现该电路最简便的选择。
END
