巧用降壓芯片生成負電壓及Vishay功率IC產品介紹

電子電路中負電壓需求有幾種，一種是隔離式的負電壓，在電力、通訊等對抗干擾性能要求較高的場合，需要隔離前端電源輸入的干擾，這個時候可以基于變壓器添加繞組來產生負電壓，或者也可以采用隔離式的電源模塊輸出負電壓給系統供電。另一種是非隔離式的負電壓，通過正輸入電壓，使用Charge Pump, Buck-Boost, Buck, Sepic 等拓撲結構電壓芯片等來產生負電源。

本文介紹基于Vishay SiP12109 COT BUCK拓撲的同步降壓轉換器產生負電壓, 通過簡單修改電路的參考節點，內部低端 MOSFET 產生電流斜坡反饋，無需補償，外部組件僅需功率電感、輸入電容去耦和自舉電容器，遠比線性調節器的效率更高，原理如下圖所示。

圖1 a) 同步降壓  b) 負輸出降壓

圖2 負輸出降壓拓撲結構

電路的控制與標準降壓轉換器的控制是相同的，但是感應器從VOUT 到 0V 的節點連接變化上存在著關鍵的差異，導致電路電流的改變，隨之會產生負輸出電壓，芯片輸出的 0V 現在變成負輸出電壓。         

圖3 - 圖2的節點波形模擬

上圖MOSFET 驅動器波形可以參見圖 3，它與標準降壓轉換器類似，LX 電壓波形范圍介于 -3.3V 到 +12V 之間, IM1和IM2電流波形對應的是M1和M2分別導通時的電流波形。         

圖4 參考原理圖

圖4為參考原理圖，整體設計技術規格如下所示：VIN = 12V，VOUT = -3.3V，Fsw= 600khz，Iout = 3A，Vripple = 150mV，Vin_ripple = 100mV。

圖5 測試條件下的效率測量

可見，對于需要負電源而且系統中只有正電源輸入時，Vishay的同步降壓調節器可以提供簡單和高效的方法，效率能超過 90%。

Vishay 同步降壓電源芯片有一系列產品組合，分為 DrMOS、microBUCK、microBRICK 三個系列，對應不同的組件集成組合，如下圖所示。

圖6 Power IC集成示意圖

紅框所示DrMOS系列是將柵極驅動器和MOSFET工藝集成在一起，藍框 microBUCK系列在DrMOS基礎上優化集成了PWM 控制器，而綠框microBRICK系列則是在microBUCK 基礎上進一步集成了外圍的電感器件，極大縮小了外圍器件數量。

圖7 Vishay DrMOS 功率級產品路線圖

圖8  microBuck和microBRICK最新產品路線圖

最新的DrMOS 采用了第 4 代/第 4.5 代的 MOSFET 工藝，與上一代的 DrMOS 器件相比，DrMOS 效率提升了 3%，工作溫度減低超過 50℃，而占板面積卻壓縮了 33%，提升了整體的功率密度效益。microBUCK可以支持 4.5V~60V很寬的輸入電壓范圍，支持單相最高輸出電流達 40A應用，在效率方面也很出色，在峰值功率時的效率高達 98.5%。microBRICK模塊巧妙地利用了電感固有的特性，通過創新的3D 封裝絕招，使電感成為優化高功率密度模塊散熱性能的，消除了 PCB 電感器與開關節點之間的互連電阻，減少了總損耗，保持了高效率的優勢，使設計人員可以擴展以實現成本和性能的最佳組合。