【導讀】穩定的電源電壓是電路設計的核心。電源轉換器作為實現這一目標的核心器件，其拓撲結構的選擇往往與具體電壓需求緊密相關——降壓與升壓轉換器已在各領域形成成熟應用，成為電路設計中的基礎配置。然而，當應用場景延伸至需要正負電壓切換的領域，如傳感器信號處理、MOSFET柵極控制及電信系統供電時，傳統拓撲便難以滿足需求。本文梳理了從正電壓生成負電壓、從負電壓生成正電壓的實現方案，為從事電路設計與電源開發的技術人員提供了技術參考。
電源轉換器常用于從現有電壓軌為電路生成穩定的電源電壓。在大多數應用中，電壓通過降壓轉換開關穩壓器降低。但有時候，電壓需要升高，而這通常利用升壓型轉換器實現。降壓和升壓這兩種拓撲結構應用于許多領域。
然而，有時電壓需要反相。在大多數情況下，需要將正電源電壓轉換為負電壓。這是為了給信號路徑中的傳感器供電，使其能夠處理具有正負電壓偏轉的信號。例如，+5V和-5V用作運算放大器的電源，以處理信號電壓。某些應用需要負電壓來安全關斷MOSFET的柵極。要從現有正電壓產生負電壓，圖1所示的反相拓撲是合適的方案。其中，正電壓被轉換為負電壓。這種電路結構簡單，不需要變壓器，可以利用標準降壓型開關穩壓器IC構建。降壓型穩壓器的輸出電壓連接至系統接地端，GND引腳電壓產生負電壓，該負電壓可通過電阻分壓器Rfb1和Rfb2進行調節。
圖1.從正電壓產生負電壓的開關電源轉換器
除了這種應用之外，有時還需要將負電壓轉換為正電壓。一種常見應用是在電信領域，其中必須將-48 V轉換為+48 V。此外，在工業領域也有應用。針對這一需求，確實存在一種不需要變壓器的高效解決方案。圖2展示了一種反相升壓轉換器，它能從負電壓產生正電壓。它需要的不是降壓型穩壓器，而是升壓型穩壓器IC。電源電平必須以適當的方式設計，使得開關的相應體二極管沿正確的方向導通。
圖2.從負電壓產生正電壓的開關電源轉換器
為了高效地將負電壓轉換為正電壓并實現多種特性，需要額外的元器件。例如，不同的設置引腳需要電平轉換，以實現軟啟動或時鐘同步等功能。這些引腳上允許的電壓范圍取決于開關穩壓器IC的GND引腳，即負輸入電壓。
圖3.LTC7899電路的LTspice電路圖
為了在較高功率下也能實現平穩的切換，可以使用專用開關穩壓器IC來有效完成從負電壓到正電壓的轉換。LTC7899就是這樣的IC。它是一款開關電源升壓轉換器控制器，專為將負電壓轉換為正電壓而設計。它使用外部開關，而且同步工作，并在輸入和輸出之間提供高達135 V的極寬電壓范圍。圖3顯示了仿真程序LTspice?中的LTC7899反相電路實現方案，用戶可借助該軟件對電路進行仿真分析。
總結
本文所探討的兩種反相轉換方案，分別針對正轉負、負轉正的核心需求，既提供了無需變壓器、基于標準穩壓器IC的簡易實現路徑，降低了基礎應用的設計門檻，也介紹了如LTC7899這類專用IC的解決方案，攻克了高功率、寬電壓范圍下的轉換難題。這些技術方案的價值不僅在于滿足傳感器、運算放大器、電信設備等特定場景的供電需求，更體現了電源設計中“高效、簡潔、適配性強”的核心原則。隨著電路系統向高集成度、高功率密度方向發展，正負電壓反相轉換技術將面臨更嚴苛的挑戰，而專用IC的迭代與仿真工具的深度應用，必將為這一領域的技術創新提供更有力的支撐，推動電源轉換技術在更廣泛的場景中實現突破。
