用反向电荷泵与升压控制器实现高效的负压生成方案

在高级驾驶辅助系统(ADAS)、超声波传感器和通信设备等应用中，通常需要低电流、高负电压（例如-48V、-24V）来偏置传感器或为特定电路供电。这类需求面临着设计挑战：既要实现高效率的电平转换，又需严格控制方案尺寸与成本。传统的反激式或Ćuk转换器依赖变压器，虽能灵活生成负压，但磁性元件往往体积较大、成本较高；而基于接地参考控制器（如常见的升压控制器）的反向降压/升压拓扑，虽然结构简单，但其控制器的输入电压额定值通常限制了可生成的最大负压幅度，难以直接满足高负压需求。

针对这一矛盾，一种结合单个电感器与在不连续导通模式（DCM）下运行的反向电荷泵的混合转换器架构，展现出独特的优势。该架构可与标准、廉价的接地参考升压控制器协同工作，突破控制器自身电压耐受限制，以更紧凑的结构和更低的系统成本，稳定生成大幅值的负输出电压。

一、 架构原理：升压与电荷泵的协同

该转换器的核心思想是将升压（Boost）变换与反向电荷泵（Inverting Charge Pump） 两个阶段融合在一个功率链路中，共用同一个功率电感。

功率级结构通常包含：

1. 接地参考的升压控制器：作为主控芯片，产生PWM信号，控制一个主开关（通常为N沟道MOSFET，连接在电感与地之间）。

2. 功率电感（L）：储能与传输能量的核心元件。

3. 电荷泵网络：由一个飞跨电容（Cpump）和两个开关（通常用二极管或MOSFET实现）构成。电容一端通过开关S1连接电感与主开关的节点（SW节点），另一端则通过开关S2在输出负压与地之间切换。

4. 输出滤波电容（Cout）：维持负输出电压的稳定。

工作过程（DCM模式）可分为三个阶段：

• 阶段1（储能阶段）：控制器驱动主开关导通。输入电源（Vin）对电感（L）充电，电感电流线性上升，能量储存于电感磁场中。此时，电荷泵飞跨电容（Cpump）通过开关S2（如二极管导通）被预充电至大约的输出电压绝对值（|Vout|）。

• 阶段2（能量转移与电压反转阶段）：主开关关断。电感电流不能突变，迫使SW节点电压正跳变。当电压高于飞跨电容另一端电压（地电位）时，开关S1导通（或体二极管导通），电感电流开始对飞跨电容（Cpump）充电，同时电容电压极性被“泵送”反转。这个过程将电感中的能量转移至电容，并使电容两端建立起上负下正的电压。

• 阶段3（不连续期与输出阶段）：当电感电流降为零，系统进入DCM。此时，通过控制开关S2（如同步整流MOSFET），将已充好电的飞跨电容（Cpump）与输出电容（Cout）并联，把储存的电荷输送到负载，维持负输出电压（Vout）的稳定。由于工作在DCM，每个周期电感电流都从零开始，消除了反向恢复问题，降低了开关损耗，并简化了环路补偿。

二、 关键优势分析

1. 突破控制器电压限制：这是本方案最显著的优势。在整个工作过程中，升压控制器本身的电源和驱动引脚均以地为参考。它所直接承受的最高电压是主开关关断时SW节点的正电压，这个电压值被设计在控制器的额定范围内。而最终生成的高幅值负压（Vout） 是电荷泵网络“叠加”在升压转换结果上的，其绝对值可以远大于控制器自身的最大耐受电压。例如，使用一个额定40V的升压控制器，可以安全地生成-100V甚至更低的输出电压。

2. 磁性元件简化，成本降低：与反激或Ćuk转换器相比，本方案完全消除了变压器，仅需一个单绕组电感。这大幅降低了磁性元件的体积、复杂度和成本。在追求高功率密度和低成本的汽车电子、便携设备中，这一优势至关重要。

3. 高效率潜力：DCM工作模式消除了二极管（或同步整流管）的反向恢复损耗，降低了开关损耗。同时，使用同步整流技术替代电荷泵中的二极管，可以显著减少导通损耗，尤其在低输出电压（高负压绝对值对应低占空比）时提升效率。整个架构的导通路径简洁，寄生参数影响较小。

4. 良好的负载调整率与稳定性：由于工作于DCM，功率级本身具有一阶系统特性，使得环路补偿设计相对简单，系统稳定性高。配合升压控制器的误差放大器与补偿网络，可以实现对负输出电压的精确、快速调节。

三、 设计考量与要点

1. 元件选型：

• 电感（L）：电感值的选择是平衡纹波电流、工作频率和确保DCM模式的关键。较小的电感有助于保持在宽负载范围内的DCM，但会增加峰值电流和纹波。需根据输入输出电压范围、最大负载电流和期望的纹波率计算。

• 飞跨电容（Cpump）：其容量直接影响输出电压纹波和电荷泵的“驱动”能力。容量过小会导致过大的纹波和负载调整率变差。通常需根据开关频率和负载电流选择，确保在每个周期能提供足够的电荷。

• 开关器件：主开关和电荷泵开关（尤其是S2）的电压应力需要仔细评估。主开关需承受SW节点的最大正电压（约Vin + |Vout|）。电荷泵开关S2需承受|Vout|的电压。使用低导通电阻（Rds(on)）的MOSFET并配合优化的栅极驱动，对提升效率至关重要。

2. 工作模式确保：必须确保在整个预期的输入电压和负载电流范围内，转换器都工作在DCM。这需要通过计算和仿真来验证。如果意外进入连续导通模式（CCM），电荷泵的开关时序会变得复杂，可能影响性能甚至损坏元件。

3. 启动与保护：需要考虑负压输出的软启动策略，防止过冲。同时，集成输入欠压保护、输出过压/过流保护、以及开关节点的钳位保护（如使用瞬态电压抑制二极管）是保证系统鲁棒性的必要措施。

4. 布局与寄生参数：电荷泵回路的PCB布局至关重要。飞跨电容、开关管到电感和输出电容的回路应尽可能短而粗，以减小寄生电感和电阻，从而降低电压尖峰和损耗，确保高效可靠的电荷泵送。

四、 应用前景

这种基于反向电荷泵与升压控制器的混合型负压生成方案，以其简洁的磁性设计、对标准控制器的兼容性以及生成高幅值负压的能力，在以下领域具有广阔应用前景：

• 汽车电子：为ADAS摄像头、雷达传感器、超声波泊车传感器的偏置电路提供-8V、-12V、-24V等负电源。

• 工业与通信：为光模块、射频功率放大器、模拟传感器接口供电。

• 测试测量设备：在需要低噪声、精密负压轨的场合。

总之，通过巧妙地将升压变换与DCM反向电荷泵相结合，该方案在性能、尺寸和成本之间取得了优异平衡，为生成高幅值、低电流负压提供了一种高效且经济的电源设计选择。