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【单片机】如何产生负电压?

以下是对知乎文章《单片机中常用的负电压是这样产生的!》的解析与总结,结合电路原理、应用场景及讨论要点展开:

一、负电压产生的核心原理

负电压本质是相对于参考地(GND)的电势差为负值,需通过电源或储能元件(如电容、电感)构建电势差。核心方法是利用电源串联或能量转换,使目标点电势低于参考地。

二、单片机电路中常用的负电压产生方案

1. 基于PWM的电容充放电电路(低成本方案)
  • 电路组成
    • 核心元件:MOS管/三极管(Q1、Q2)、电容(C1、C2)、二极管(D1、D2)。
    • 输入:单片机输出的PWM信号(约1kHz方波)。
  • 工作原理
    • 充电阶段(PWM低电平):Q2导通,VCC通过Q2给C1充电,形成左正右负电压(如5V)。
    • 放电阶段(PWM高电平):Q1导通,C1通过Q1向C2放电,C2上形成下正上负的负电压(理论值-5V)。
  • 特点
    • 元件少、成本低,但带载能力弱(仅适用于微功耗场景,如运放偏置)。
    • 输出电压随负载增大显著下降,需配合滤波电容(如C2)稳定波形。
2. 专用DC-DC芯片方案(高可靠性)
  • 典型芯片
    • 电荷泵:如ICL7660、MAX232(内置电荷泵,用于RS232接口负电压生成)。
    • 开关稳压器:如MC34063、LM2576(支持大电流输出,可达300mA以上)。
  • 优势
    • 输出稳定、带载能力强,适合对电压精度和电流要求高的场景(如示波器、工业设备)。
    • 部分芯片支持多输出(如MAX232同时生成±12V)。

三、负电压的应用场景

  1. 通信接口
    • RS232标准要求负电压(-3V~-15V表示逻辑1),需通过MAX232等芯片生成。
  2. 运放供电
    • 非轨到轨运放(如OP07)需正负电源扩展输入/输出范围,避免削波失真。
  3. 电源隔离与特殊系统
    • 电话系统采用-48V供电,避免电化学腐蚀;部分工业设备利用负电压实现电源隔离。
  4. 保护与特殊设计
    • 可用于芯片自毁电路(负电压突破保护阈值,损坏元件),但非通用设计场景。

四、关键问题与讨论

  1. 电容特性与充放电逻辑
    • 电容通交隔直:直流下电容充满电后相当于断路,仅在PWM切换时通过充放电传递能量。
    • 网友质疑:原电路中“PWM低电平导通Q2”可能存在笔误,实际需NPN型三极管配合高电平导通(见评论区讨论)。
  2. 带载能力优化
    • 单片机IO口驱动能力弱(约10mA),需外接MOS管/三极管扩流,避免直接驱动大负载。
  3. 数字地与模拟地处理
    • 两者需在单点共地(如电源输入端),避免数字噪声干扰模拟电路。
  4. 纹波与滤波
    • 电荷泵方案纹波较大,需LC滤波;开关电源方案可通过反馈电路降低纹波。

五、总结

  • 低成本方案:适用于简单场景,利用PWM和电容快速搭建,但需牺牲带载能力。
  • 专业方案:优先选择DC-DC芯片,确保稳定性和可靠性,尤其在通信、工业设备中。
  • 设计要点:关注负载需求、纹波要求及地平面分割,避免电路干扰。

该文章通过实例结合理论,适合入门级硬件工程师理解负电压生成逻辑,但部分细节(如三极管导通条件)需结合实际电路验证。

http://www.lryc.cn/news/2385643.html

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