本應用筆記解釋了如何使用MAX17291從正輸入電壓產生負電壓，用于LCD顯示器、柵極驅動器等應用。它還包括有關實現主動放電功能的信息。

介紹

許多應用需要電源提供負電壓，例如LCD顯示器、柵極驅動器、嵌入式應用、運算放大器電路等。本應用筆記說明如何使用MAX17291升壓轉換器IC從正輸入電壓產生負輸出電壓。

MAX17291為低靜態升壓DC-DC轉換器，具有1A峰值電感電流限值和真關斷?.真關斷將輸出與輸入斷開，無正向或反向電流。輸出電壓由一個外部電阻分壓器設定。MAX17291 IC可以工作在1.8V至5.5V輸入電源，輸出高達20V。

特征

應用電路

圖2.采用MAX17291的12V升壓轉換器。

MAX17291升壓轉換器IC的工作原理

升壓轉換器電路采用MAX17291 IC提供1.8V至5.5V輸入和12V輸出電壓，如圖2所示。MAX17291升壓轉換器具有兩種工作模式：輕負載效率和脈寬調制（PWM）。在輕負載模式下，該器件以脈沖頻率調制 （PFM） 工作，以提高輕負載時的效率。在這種模式下，導通時間由500mA的峰值電感電流限值決定。一旦電感電流達到其限值，導通時間終止，功率二極管正向偏置。在PWM模式下，轉換器在連續導通模式（CCM）的負載電流水平下使用準恒定的1.0MHz開關頻率脈寬調制（PWM）。根據輸入電壓與輸出電壓之比，電路預測所需的關斷時間。在CCM模式下，升壓轉換器的占空比由下式給出。

使用通用升壓轉換器的負電壓

使用通用升壓轉換器產生負電壓的電路如圖3所示。如圖所示，從升壓轉換器的開關節點使用電荷泵電路來產生所需的負電壓。

圖3.使用升壓轉換器的負電壓示意圖。

負電壓電路的工作原理

對于上述電路，反饋來自升壓轉換器的輸出，以保持負輸出電壓恒定。在穩態條件下，當開關Q1關斷時，電感電壓反轉，Q1 FET兩端的電壓等于輸入電壓和電感電壓。Q1開關兩端的電壓由下式確定。

VQ1 = VIN + VL = VOUT + VD1

電流開始通過二極管D1從電感流向COUT1，通過R-CHG和二極管D2從電感流向C-CHG。電容器 COUT1 和 C_CHG 在此期間充電。C-CHG兩端的電壓由下式給出。

VOUT + VD1 = VR-CHG + VC-CHG
VC-CHG = VOUT + VD1 - VRCHG - VD2

Q1關斷狀態下的電流如圖4所示。

圖4.Q1 OFF期間的電流。

在Q1關斷時間結束時，當Q1導通時，Q1的漏極幾乎被拉至地。二極管D2變為反向偏置，二極管D3變為正向偏置。一旦二極管D3正向偏置，電流開始通過R-CHG和二極管D3從COUT2電容流出。這似乎會導致電容器COUT2上相對于地的負電壓。

COUT2兩端的電壓由下式給出。

-VCCHG + VRCHG = VCOUT2 - VD3
VCOUT2 = -VCCHG + VRCHG + VD3

Q1導通狀態下的電流如圖5所示。

圖5.電流在Q1導通時間內流動。

連接 R-CHG 電阻以限制通過 MOSFET Q1 和二極管 D2 和 D3 的峰值電流。在 1 之間選擇？到 2.2？對于 R-CHG 電阻的值。如果R-CHG電阻值過高，則R-CHG兩端的電壓在較高負載時增加，從而降低C-CHG和COUT2兩端的電壓。如果R-CHG電阻值太低，則負電壓在較低負載條件下增加，因為沒有要控制的負電壓檢測。

使用MAX17291升壓轉換器IC產生負電壓

設計規范

輸入：2.5V 至 5.5V

輸出電壓：-11V

使用MAX17291 IC的優勢

更小的解決方案尺寸，具有內部升壓 MOSFET 和二極管（1.27mm x 0.87mm WLP 封裝）

可實現寬范圍的負輸出電壓

可在 1.8V 的較低輸入電壓下工作

MAX17291升壓轉換器IC具有內部升壓MOSFET、二極管和控制電路。電荷泵電路連接到MAX17291 IC的LX開關節點，產生負電壓。使用MAX17291 IC的負電壓原理圖如圖6所示。

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圖 6.使用MAX17291 IC產生負電壓

所需的負輸出電壓是通過在升壓的輸出電壓上設置反饋網絡電路來實現的。因此，與正常正電壓相比，圖6原理圖中的負載調節性能略有松動，因為電荷耦合通過電容C-CHG。MAX17291的開關工作基于輸入電壓和升壓轉換器的輸出電壓。在整個操作過程中必須保持穩定的輸出電壓。這是使用IC的OUT引腳和地上的虛擬電阻完成的。這將充當虛擬負載以保持正輸出電壓恒定，這可能會在一定程度上增加負電壓的調節。

電路的負載調整率和效率性能如下圖所示。

圖7.負載調整率與輸出電流的關系

圖8.效率與輸出電流的關系

2.5Vin 和 -11Vout 條件下的負載瞬態性能

圖9.負載瞬態性能，無需運算放大器。

條件：VIN = 2.5V, VOUT = -11V, IOUT = 5mA to 30mA

由于負載瞬變，電壓變化約為~392mV （3.56%）。輸出電壓在波形中偏移 -10V。

波形：黃色 = VIN，藍色 = VOUT，粉色 = V ，綠色 = IOUT

圖 10.負載瞬態性能，無需運算放大器。

條件：VIN = 2.5V, VOUT = -11V, IOUT = 30mA to 5mA

由于負載瞬變，電壓變化約為~370mV （3.36%）。輸出電壓在波形中偏移 -10V。

波形：黃色 = VIN，藍色 =VOUT，粉色 = VEN，綠色 = IOUT

改善負電壓電路的負載調整率和瞬態性能

通過直接檢測負輸出電壓，可以改善前一個電路的負電壓負載調節和瞬態性能。然后使用Maxim的MAX44244AUK+運算放大器將反饋發送到IC，用于檢測負電壓。運算放大器的輸出用于驅動FB引腳，該引腳針對負載和線路瞬變調節負輸出電壓。以下是使用運算放大器的負電壓反饋原理圖。

高分辨率圖像 ?
圖 11.負電壓反饋采用帶運算放大器的MAX17291 IC

以下是使用運算放大器電路的負電壓的負載調整率和瞬態性能的表示。

圖 12.負載調整率與使用運算放大器電路的輸出電流的關系

圖 13.效率與輸出電流的關系 使用運算放大器電路。

圖 14.使用運算放大器電路的負載瞬態性能。

條件：VIN = 2.5V, VOUT = -11V, IOUT = 5mA to 30mA

負載瞬態引起的電壓變化約為~62mV （0.56%）。輸出電壓在波形中偏移 -10V。

波形：黃色 =VIN,藍色 =VOUT，粉色 =VEN，綠色 =IOUT

圖 15.使用運算放大器電路的負載瞬態性能。

條件：VIN = 2.5V, VOUT = -11V, IOUT = 30mA to 5mA

負載瞬態引起的電壓變化約為~72mV （0.65%）。輸出電壓在波形中偏移 -10V。

波形：黃色 =VIN,藍色 =VOUT，粉色 =VEN，綠色 =IOUT

如圖7–15所示，與不使用運算放大器的電路相比，使用運算放大器的負電壓電路具有非常嚴格的調節和良好的瞬態性能。

性能比較

基于上述結果，帶運算放大器的負電壓解決方案具有良好的負載調節和效率性能。

圖 16.負載調節性能比較。

圖 17.效率性能比較。

主動放電功能的實現

在圖11中，有源放電電路由電阻R13至R16、電容C11和P-MOS Q1組成。當使用EN引腳（EN = 0V）禁用IC時，電阻R15和R16變為并聯，Q1的電壓Vgs大于閾值電壓。因此，MOSFET Q1 導通。有源放電功能拉動由COUT2電容累積的全部電荷，并轉儲到電阻R13中。負電壓立即降低到較小的值。當IC使能時，柵極和源極兩端的電壓小于閾值，MOSFET Q1關斷。放電電阻的值可以根據COUT2電容器所需的放電時間進行選擇。

主動放電的操作如下圖所示。

圖 18.主動放電功能。

結論

負輸出電壓由MAX17291 IC的正輸入電壓產生。用戶可以通過增加運算放大器電路并在負輸出電壓電路中實現有源放電功能來改善負輸出電壓的負載調整率和瞬態性能。

審核編輯：郭婷