探索元件以打造負電壓軌

大多數現代電子產品皆以直覺的正電源軌運作，例如 3.3 V 或 5 V。但是，有許多現代化應用需要全雙極性訊號擺動、平衡偏壓或特定類比效能，可能會導致設計人員踏入不太熟悉的負電壓軌領域。

大多數IC (微控制器、處理器、數位感測器與記憶體) 皆以單一正電源軌運作。像是 Arduino 之類的開發板，絕大多數都仰賴純正電源。電源管理 IC (PMIC) 的開發目標通常是用單一電池或配接器輸入來產生多個正軌。

這可能會導致設計人員將負電壓視為電子領域早期時代的遺物。然而，負電壓對於眾多類比和混合式訊號的應用來說仍相當重要，包括訊號調節、儀表、感測器介面、資料轉換和精密運算放大器電路。有必要瞭解何時以及為何需要負軌，藉此展開更廣泛的設計可能性，更有助於避免代價高昂的疏忽。

特定設計需要負電壓軌才能正確高效地運作：

• 採用運算放大器配置的感測器訊號調節電路，通常需要負軌以讓訊號在接地以下擺動。
• 傳統通訊介面 (如 RS-232) 需要正電壓和負電壓，以確保正確的邏輯位準訊號。
• 音訊和儀表放大器經常使用雙極性電源來增進餘裕、減少失真和提高線性度。
• 現代 MEMS 感測器和光電二極體可能需要少許負偏壓才可達到最佳準確度和效能。

成功設計的關鍵

有些設計人員可能會認為負電壓僅適用於傳統或高電壓系統，但當今設計中，有許多精密感測器、放大器和偏壓電路都需要適度的負電源 (通常只有幾伏特) 才能達到最佳化運作。

在空間和功率受限的混合式訊號系統中，若可用單一正軌產生潔淨、有效率的負電壓，對於設計的成功與否來說至關重要。

有個常見的誤解在於，若要產生負電壓，就一定要笨重的變壓器或複雜的雙電源系統。事實上，電荷幫浦和反相穩壓器等現代化 IC，已經簡化用單一正電源產生負軌的過程，即便在緊湊的低功率設計中也是如此。

有個常見的錯誤就是將接地視為所有電路中的絕對零電壓參考點。在分離式或雙極性電源中，「接地」只是正電壓和負電壓 (例如 ±15 V) 之間的中點，而非固定的全域零點。然而，在隔離式系統中，每個電路可能都有自己的接地基準，假設全都連接在一起，可能就會導致設計錯誤。

另一個設計陷阱在於認為「接地」在整個電路中始終代表相同的意涵。接地就只是一個參考點，其含義可能因電源設置或隔離邊界而有所不同。這種誤解可能會導致類比設計出現問題，如果電壓基準並未正確對齊實際電路，運算放大器或感測器可能就無法如預期運作。在隔離式或雙極電源系統中，將接地視為通用 0 V 可能會導致訊號錯誤、雜訊問題，甚至出現硬體故障。

若不熟悉負軌，可能會導致關鍵的佈局考量遭到忽視，例如正確的返回路徑、有效的解耦和雜訊隔離。這可能會導致不穩定性或類比效能下降。例如，若同時有正電源和負電源時，正確的返回路徑會變得更加複雜；接地不再是最低電位，若佈線不慎，可能會產生接地迴路或意外的電流路徑。

正軌與負軌必須有策略地放置解耦電容，並採用低電感連接，以將電壓漣波和暫態尖波降至最低。在混合式訊號系統中，雜訊隔離也更具挑戰，因為數位切換雜訊可透過共用的接地或電源層耦合到敏感的類比電路中。若未謹慎分區、濾波且對電流有清楚的瞭解，可能會因電源假影帶來不穩定性、雜訊或漂移，而讓精密類比前端的優勢喪失。

及早認知這些難題，有助於避免訊號切割失真、不良的動態範圍和設計重工，進而開拓更多設計可能性，更有助於避免代價高昂的疏忽。

設計人員有幾種經過實證的選項，可以依據系統複雜性、輸出電流需求和效率要求，用單一正軌產生負電壓。Analog Devices (ADI) 提供多種解決方案組合，從簡單的電荷幫浦到高效能的切換式穩壓器，無論設計人員經驗深淺，都可簡化負電壓的產生作業。

電荷幫浦穩壓器

對於需要適度負軌的空間受限設計來說 (如運算放大器偏壓或感測器訊號基準)，LTC1983 低壓降電荷幫浦只需要三個外部電容 (圖 1)。

圖 1：LTC1983 電荷幫浦轉換器應用，可在高達 100 mA 下提供 -3 V。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

LTC1983 可翻轉正輸入的極性來產生穩壓負電壓，因此非常適合供電給需要高達 100 mA 電流的低電流類比電軌。適用於低功率應用，例如運算放大器偏壓、感測器偏移調整，或是空間受限系統中的小型類比負載。因為不需要電感，因此佈局更容易，但在靈活性、效率和輸出雜訊效能上有所犧牲。

為了達到更大的靈活性和更高效率，更強大的 LTC3265 是一款雙輸出的電荷幫浦，能以單一電源產生正負可調整電軌 (圖 2)。整合了低雜訊 LDO 穩壓器，可提供高達 ±100 mA，並具有高精度和低漣波，非常適合混合式訊號設計、精密儀表和工業感測器介面。

圖 2：採用 LTC3265 的電路設計整合了低雜訊 LDO 穩壓器，能以單一 12 V 輸入提供 ±15 V 輸出。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

LTC3265 在擴充效能、雜訊管理以及與高要求類比子系統的整合方面，皆比 LTC1983 具有更大的餘裕，因此對於講究潔淨電軌與可靠度的應用來說是更優異的選擇。

升降壓轉換器

若需要更高的輸出電流或更高的效率，反相升降壓轉換器可提供高效、穩健的解決方案。這些電路可反轉輸入電壓並將其調節成負輸出，通常具有較寬的輸入／輸出範圍和優異的效率。ADI 的 LTC3863 是一款堅固耐用的反相控制器，能產生低至 -150 V 的負輸出電壓。因此是工業和通訊系統的理想選擇。

LT8624S 屬於 Silent Switcher 的一種，可以配置成反相模式，以提供具有超低 EMI 的高效率負軌。因此特別適合對雜訊敏感的類比領域。

另一款 ADP5076 則針對雙極運算放大器或感測器偏壓的需求而設計，屬於一款雙輸出切換式穩壓器，能以單一輸入同時產生正負軌 (如 +12 V 和 -12 V)。

隔離式負電壓的產生

若應用需要接地隔離以確保安全、雜訊耐受或功能隔離 (如工業 I/O、醫療儀表或汽車系統)，就需要隔離式負電壓的產生。變壓器架構的 DC-DC 轉換器，通常屬於返馳式 (圖 3) 或推挽式拓撲，可穿透隔離柵傳輸能量，並產生與輸入側電氣隔離的負電壓。

圖 3：此線路圖指出典型返馳式轉換器具有多個輸出繞組。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

LT3758 是一款高效能 DC/DC 控制器，專為升壓、單端一次電感轉換器 (SEPIC)、返馳式和反相拓撲而設計。可以配置成採用返馳式變壓器產生隔離式負軌，並提供高達 100 V 的可調整負輸出電壓。雖然不需要光耦合器，但在此情況下，會產生非穩壓的負電壓。在輸出端添加一個負輸入 LDO 穩壓器，就可達到穩壓負電壓。

針對電路板空間有限但又講究靈活性的多軌應用，設計人員可能會選擇 ADI 的 LT8471；這是一款多功能的雙通道控制器，可讓每個通道獨立配置成升壓、升降壓、SEPIC 或返馳式。如此一來，就可達到多種輸出電壓組合，包括正負電壓。舉例而言，一個通道可以產生 +12 V，第二個通道可產生 -12 V，或是一個通道配置成升壓 +24 V，第二個通道則配置成隔離返馳式 -5 V。如此一來就能讓設計人員減少電路板空間和物料清單。

有些應用，特別是驅動功率 MOSFET 的應用，則需要負閘極驅動電壓，以達到安全高效的切換。ADuM4120 是一款隔離式閘極驅動器，可在閘極-源極端子上使用負電壓，因此對於高側切換或半橋設計來說特別有用 (圖 4)。

圖 4：在此電路設計中，ADuM4120 可驅動雙極電源設置。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

若講究上市時間和電路板空間，設計人員可以利用 ADI 的 μModule 穩壓器來簡化負軌設計。LTM4655 是一款全整合式反相升降壓 μModule 穩壓器，具有雙通道、全獨立的輸出通道，可配置成穩壓負輸出或正輸出。

結論

對於物聯網 (IoT) 裝置、工業感測器、精密儀器甚至醫療設備來說，需要正負電壓軌的情況並不少見。只要挑選了正確的拓撲 (無論是為了簡單而使用電荷幫浦，還是為了提高效率而使用切換器)，設計人員就可將負電壓整合到現代系統中，且不會明顯增加複雜性。ADI 具有豐富的產品組合和參考設計，可協助設計人員簡化作業。