巧用降压芯片生成负电压及Vishay功率IC产品介绍

电子电路中负电压需求有几种，一种是隔离式的负电压，在电力、通讯等对抗干扰性能要求较高的场合，需要隔离前端电源输入的干扰，这个时候可以基于变压器添加绕组来产生负电压，或者也可以采用隔离式的电源模块输出负电压给系统供电。另一种是非隔离式的负电压，通过正输入电压，使用Charge Pump, Buck-Boost, Buck, Sepic 等拓扑结构电压芯片等来产生负电源。

本文介绍基于Vishay SiP12109 COT BUCK拓扑的同步降压转换器产生负电压, 通过简单修改电路的参考节点，内部低端 MOSFET 产生电流斜坡反馈，无需补偿，外部组件仅需功率电感、输入电容去耦和自举电容器，远比线性调节器的效率更高，原理如下图所示。

图1 a) 同步降压 b) 负输出降压


图2 负输出降压拓扑结构

电路的控制与标准降压转换器的控制是相同的，但是感应器从VOUT 到 0V 的节点连接变化上存在着关键的差异，导致电路电流的改变，随之会产生负输出电压，芯片输出的 0V 现在变成负输出电压。

图3 - 图2的节点波形模拟

上图MOSFET 驱动器波形可以参见图 3，它与标准降压转换器类似，LX 电压波形范围介于 -3.3V 到 +12V 之间, IM1和IM2电流波形对应的是M1和M2分别导通时的电流波形。

图4 参考原理图

图4为参考原理图，整体设计技术规格如下所示：VIN = 12V，VOUT = -3.3V，Fsw= 600khz，Iout = 3A，Vripple = 150mV，Vin_ripple = 100mV。

图5 测试条件下的效率测量

可见，对于需要负电源而且系统中只有正电源输入时，Vishay的同步降压调节器可以提供简单和高效的方法，效率能超过 90%。

Vishay 同步降压电源芯片有一系列产品组合，分为 DrMOS、microBUCK、microBRICK 三个系列，对应不同的组件集成组合，如下图所示。

图6 Power IC集成示意图

红框所示DrMOS系列是将栅极驱动器和MOSFET工艺集成在一起，蓝框 microBUCK系列在DrMOS基础上优化集成了PWM 控制器，而绿框microBRICK系列则是在microBUCK 基础上进一步集成了外围的电感器件，极大缩小了外围器件数量。

图7 Vishay DrMOS 功率级产品路线图


图8 microBuck和microBRICK最新产品路线图

最新的DrMOS 采用了第 4 代/第 4.5 代的 MOSFET 工艺，与上一代的 DrMOS 器件相比，DrMOS 效率提升了 3%，工作温度减低超过 50℃，而占板面积却压缩了 33%，提升了整体的功率密度效益。microBUCK可以支持 4.5V~60V很宽的输入电压范围，支持单相最高输出电流达 40A应用，在效率方面也很出色，在峰值功率时的效率高达 98.5%。microBRICK模块巧妙地利用了电感固有的特性，通过创新的3D 封装绝招，使电感成为优化高功率密度模块散热性能的，消除了 PCB 电感器与开关节点之间的互连电阻，减少了总损耗，保持了高效率的优势，使设计人员可以扩展以实现成本和性能的最佳组合。