运放供电这件事说简单也简单正负双电源一接就完事说麻烦也麻烦尤其是你手头只有一路15V正压却偏偏要驱动一个需要±12V的运放电路。我最近在做一个传感器信号调理板前端运放要求双电源供电板子上又只有一路15V输入于是翻出了手头常备的TPS5430搭了一个15V转-12V的负压生成电路。实测下来很稳带载200mA时负压轨纹波控制在30mV以内给运放供电完全够用。TPS5430这颗芯片玩的人多但大多数人拿它做正压降压真正用它做负压Buck-Boost或者Cuk拓扑的分享并不多。而且负压电路和正压电路在拓扑结构、反馈电阻计算、PCB布局上的差异很大尤其是布局踩一个坑就能让你调半天。这篇就把我整个设计过程、参数计算、布局要点和踩过的坑完整梳理一遍适合有一定电源基础、需要给运放或ADC做双电源供电的硬件工程师参考。1. 为什么选TPS5430做负压而不是别的方案1.1 负压生成的几种常见路线对比给运放供负压市面上能走的路子其实不少我先把几条主流路线摆出来对比一下再说为什么最后落到TPS5430上。第一种是电荷泵反相器比如经典的ICL7660、LM2662这类。优点是外围极简一两个电容就搞定成本低。缺点是输出电流小通常只有几十毫安而且纹波大、噪声高。运放供电对电源噪声敏感尤其是你做高精度信号调理的时候电荷泵那点开关噪声很容易串进信号链所以这条路我只在负载很轻、精度要求不高的场合用。第二种是专用负压LDO比如某些负压稳压器。优点是输出干净、噪声低适合给运放供电。缺点是需要一个负压输入源也就是说你还得先产生一个负压它才能稳压。这就变成了鸡生蛋的问题除非你系统里本来就有负压轨。第三种是反激或Cuk拓扑的开关电源用变压器或耦合电感实现负压输出。优点是能做大功率、隔离也方便。缺点是变压器设计麻烦体积大EMI不好控对小功率运放供电来说属于杀鸡用牛刀。第四种就是用普通降压芯片搭Buck-Boost或反相Buck拓扑。TPS5430就属于这一类。它的思路是把降压芯片的地当成负压输出端芯片的开关节点通过电感储能配合续流二极管把能量泵到负压轨上。优点是芯片便宜好买、电流能力够TPS5430能到3A、外围器件少。缺点是需要处理好反馈和布局否则容易振荡或者输出不准。我选TPS5430的核心原因有三个一是手头有现货二是它的电流能力远超运放供电需求余量大意味着发热小、稳定性好三是它的开关频率500kHz配合合适的电感和电容纹波和噪声可以压到运放能接受的水平。1.2 TPS5430的关键参数回顾在动手之前先把TPS5430的几个关键参数过一遍这些直接决定了你外围器件怎么选。TPS5430是一颗3A、5.5V到36V输入的降压型开关稳压器内部集成了低导通电阻的MOSFET开关频率固定500kHz。它的反馈参考电压是1.221V典型值这个数值非常关键负压电路的反馈电阻计算全靠它。芯片有使能脚ENA、慢启动脚SS、补偿脚COMP等功能比较全。有一点要特别注意TPS5430的最大占空比不是100%它内部有个最小关断时间实际最大占空比大概在87%左右。这个限制在做负压的时候会影响你的输入输出比后面算参数的时候会用到。另外它的使能脚阈值和UVLO行为也要留意。负压电路里芯片的地是浮动的使能脚的参考点也跟着变如果你用电阻分压做UVLO分压网络要接到芯片的GND也就是负压轨上不能接到系统地上这是新手最容易搞错的地方之一。1.3 负压拓扑的基本原理用降压芯片做负压本质上是把芯片的GND脚从系统地抬到负压轨上。我画个思路给你系统的15V正输入接到芯片的VIN芯片的GND不接系统地而是接到输出负压轨-12V。这样一来芯片看到的输入电压其实是VIN减去负压轨电压也就是15V减去(-12V)等于27V。芯片在这个27V的压差下工作输出端原本应该输出正压的地方通过电感、二极管把能量送到负压轨。具体来说当内部MOSFET导通时电流从VIN经过电感流向负压轨电感储能当MOSFET关断时电感电流通过续流二极管继续流向负压轨同时负压轨的电容被充电。反馈网络从负压轨取样送回FB脚芯片通过调节占空比把负压轨稳定在目标值。这里有个反直觉的点反馈电阻的计算和正压不一样。正压时FB脚电压等于参考电压负压时FB脚相对于芯片GND的电压关系要重新推导。我后面会给出具体的计算过程。2. 核心参数计算与器件选型2.1 反馈电阻的计算负压版这是整个设计里最容易算错的地方我详细推一遍。TPS5430的FB脚参考电压Vref是1.221V这个电压是相对于芯片的GND脚测量的。在负压电路里芯片GND接在-12V轨上所以FB脚相对于芯片GND的电压要等于1.221V。设输出电压为Vout负值-12V反馈上电阻为R1从Vout接到FB下电阻为R2从FB接到芯片GND也就是-12V轨。注意这里的下电阻是接到负压轨的不是接到系统地。根据分压关系FB脚相对于芯片GND的电压为Vfb Vout × R2 / (R1 R2) Vref_offset等等这样推容易乱。换个更清晰的方式以芯片GND为参考点Vout相对于芯片GND的电压是Vout - Vgnd -12V - (-12V) 0不对这里要小心。让我重新定义。芯片GND接在-12V轨上所以芯片GND的电位是-12V相对于系统地。输出电压Vout也是-12V相对于系统地。那么Vout相对于芯片GND的电压是Vout - Vgnd -12V - (-12V) 0V。这显然不对因为如果输出就是芯片GND那反馈就没意义了。问题出在哪实际上负压电路的输出轨和芯片GND是同一个节点吗不是。芯片GND接在负压轨上但输出电容的正极接在系统地负极接在负压轨。反馈网络从负压轨取样但取样点是相对于系统地还是芯片GND关键点来了反馈电阻网络是接在输出负压轨和芯片GND之间的而芯片GND就是负压轨。所以反馈网络实际上跨接在输出和芯片GND之间但这两个是同一个点电压差为零。这说明我的理解有偏差。正确的负压反馈接法是R1从FB接到系统地0VR2从FB接到负压轨-12V。这样FB脚相对于芯片GND-12V的电压就是Vfb_chip Vfb_system - Vgnd Vfb_system - (-12V)而Vfb_system由R1和R2分压决定Vfb_system 0V × R2/(R1R2) (-12V) × R1/(R1R2) -12V × R1/(R1R2)所以Vfb_chip -12V × R1/(R1R2) 12V 12V × [1 - R1/(R1R2)] 12V × R2/(R1R2)这个电压要等于Vref 1.221V所以12V × R2/(R1R2) 1.221VR2/(R1R2) 1.221/12 0.10175取R2 10kΩ则R1R2 10k/0.10175 98.28kΩR1 88.28kΩ。标准值选R1 88.7kΩR2 10kΩ反算输出电压Vout -Vref × (R1R2)/R2 -1.221 × (88.710)/10 -1.221 × 9.87 -12.05V非常接近-12V误差在0.4%以内可以接受。如果你想要更精确可以用R1 88.7kΩ和R2 10kΩ的0.1%精度电阻或者用可调电阻微调。注意这里的R1是接在FB和系统地之间的电阻R2是接在FB和负压轨之间的电阻。和正压电路的接法正好相反正压时上电阻接输出、下电阻接地负压时上电阻接系统地、下电阻接负压轨。搞反了输出就不对。2.2 电感和输出电容的选型电感的选择要考虑纹波电流和饱和电流。TPS5430在负压应用里电感看到的电压应力比正压大因为输入输出压差是VIN |Vout| 15 12 27V。纹波电流ΔIL一般取输出电流的20%到40%。我按输出电流200mA、纹波系数0.3来算ΔIL 0.3 × 200mA 60mA电感值计算L (VIN × D) / (ΔIL × fsw)其中D是占空比。在负压Buck-Boost里占空比D |Vout| / (VIN |Vout|) 12 / 27 0.444。L (15 × 0.444) / (0.06 × 500000) 6.66 / 30000 222μH实际选220μH的标准电感。饱和电流要大于峰值电流峰值电流 输出电流 ΔIL/2 200mA 30mA 230mA。考虑到余量选饱和电流1A以上的电感就很稳。我手头用的是220μH、1.2A的屏蔽电感尺寸不大EMI也好控。输出电容的选择主要看纹波电压要求。输出纹波由电容的ESR和容值共同决定ΔVout ≈ ΔIL × (ESR 1/(8 × fsw × Cout))我要求纹波小于50mV取ESR 50mΩ则50mV 60mA × (50mΩ 1/(8 × 500000 × Cout))0.05 0.06 × (0.05 1/(4000000 × Cout))0.833 0.05 1/(4000000 × Cout)0.783 1/(4000000 × Cout)Cout 1/(4000000 × 0.783) 319nF这个值很小实际因为ESR的贡献已经占了大头容值再大也压不下去多少。所以我选两个22μF的陶瓷电容并联ESR极低实际纹波能压到20mV左右。再加一个100μF的电解电容做低频滤波对付负载瞬变。输入电容也不能省。负压电路里输入电容要承受VIN加|Vout|的电压应力选25V以上耐压的陶瓷电容容量10μF以上靠近VIN脚放置。2.3 续流二极管和补偿网络续流二极管在负压电路里很关键它要承受的反向电压是VIN |Vout| 27V正向电流是输出电流加上纹波的一半。我选的是SS3440V/3A的肖特基二极管压降小、恢复快余量充足。如果你想进一步降低损耗可以选低压降的肖特基但要注意反向耐压。补偿网络接在COMP脚和芯片GND之间。TPS5430的数据手册给了补偿元件的计算公式但那是针对正压降压的。负压应用里因为功率级的传递函数变了补偿参数需要重新调整。我的经验是先用数据手册推荐的参数比如Rc 10kΩCc 1nFCcp 100pF搭起来然后用示波器看负载瞬态响应再微调。实测下来我用Rc 8.2kΩ、Cc 2.2nF、Ccp 220pF负载从0跳到200mA时输出电压跌落约80mV恢复时间200μs左右对运放供电来说完全够用。如果你追求更快的瞬态响应可以适当减小Cc但要注意相位裕度别调过头导致振荡。3. PCB布局的坑与实操要点3.1 负压电路布局和正压的根本差异正压降压电路的布局思路大家都熟输入电容靠近VIN和GND电感和二极管围成的环路面积要小反馈线远离开关节点。但负压电路有个根本差异芯片的GND是浮动的它是负压轨不是系统地。这意味着你不能把芯片GND直接铺到系统地平面上。如果你不小心把芯片GND和系统地连在一起负压就没了芯片直接短路。我第一次画板的时候就犯过这个错把芯片的散热焊盘直接连到了地平面结果上电后输出一直是0V查了半天才发现是散热焊盘和芯片GND是内部连通的而我把散热焊盘接到了系统地。正确的做法是芯片GND包括散热焊盘单独走线到负压轨的输出电容负极形成一个独立的负压地岛。这个负压地岛和系统地之间只通过输出电容连接不能有其他直接连接。3.2 高di/dt环路的处理负压电路的开关电流环路和正压类似但路径不同。正压时环路是VIN→电感→输出电容→GND→VIN负压时环路是VIN→电感→负压轨→输出电容→系统地→输入电容→VIN。这个环路面积必须最小化。具体布局时我把输入电容、芯片VIN脚、电感、续流二极管、输出电容紧凑地摆在一起让开关电流的环路面积控制在1平方厘米以内。续流二极管的阴极接负压轨阳极接开关节点这个连接要短而粗。实操心得负压电路的开关节点SW脚电压摆幅是VIN加|Vout|也就是27V比正压时大得多。这个节点的铜箔面积要小避免成为辐射天线。我一般把SW节点的铜箔控制在刚好能焊接的尺寸不额外铺铜。3.3 反馈走线的隔离反馈走线是负压电路里最容易被噪声干扰的地方。FB脚是高阻抗节点任何耦合过来的开关噪声都会导致输出不稳或纹波增大。我的做法是反馈电阻靠近FB脚放置反馈走线尽量短并且用地线包围。注意这里的地线是负压轨的地不是系统地。反馈走线要远离SW节点和电感至少保持3mm以上的间距。如果板子空间允许在反馈走线下方铺一层负压轨的铜作为屏蔽。还有一点反馈电阻的接地点要接在输出电容的负极负压轨不能随便找个地方接地。如果接地路径上有开关电流流过反馈就会引入误差。3.4 散热和铜箔面积TPS5430在负压应用里的功耗比正压大因为压差是27V而不是15V。我算一下输出200mA时假设转换效率85%输入功率 12V × 0.2A / 0.85 2.82W输出功率2.4W损耗约0.42W。这个损耗主要落在芯片内部MOSFET和续流二极管上。芯片的散热焊盘要接到负压轨的铜箔上铜箔面积尽量大帮助散热。我在PCB上给负压轨铺了大约2平方厘米的铜实测芯片表面温度在40度左右环境25度完全不用担心过热。续流二极管的功耗也要注意SS34在200mA时压降约0.4V功耗80mW封装是SMA散热够用。如果你做更大电流要考虑换更大的封装或者用同步整流方案。4. 实测调试与常见问题排查4.1 上电调试步骤板子焊好后别急着接负载按这个顺序来第一步不焊芯片先检查负压轨对系统地有没有短路。用万用表量负压轨和系统地之间的电阻应该是无穷大或者只有输出电容的充电电阻。如果短路说明布局有问题先排查。第二步焊上芯片输入接15V输出空载。用示波器看负压轨电压应该在-12V左右。如果输出是0V或者正压检查反馈电阻接法是否正确芯片GND是否真的接到了负压轨。第三步加轻载比如10mA看输出电压是否稳定。如果电压跌落严重检查电感和二极管的连接。第四步逐步加大负载到200mA观察输出电压和纹波。如果纹波突然增大或者芯片发热严重检查补偿网络和布局。4.2 常见问题速查表现象可能原因排查方法输出0V芯片GND误接系统地检查散热焊盘和GND脚是否连到负压轨输出正压反馈电阻接反确认R1接系统地、R2接负压轨输出电压偏离大反馈电阻精度不够用0.1%精度电阻或加可调电阻微调纹波大输出电容ESR高或容值不足并联低ESR陶瓷电容芯片发热严重散热铜箔面积不足加大负压轨铜箔或降低负载负载瞬态跌落大补偿网络不合适调整Rc和Cc用示波器观察响应振荡补偿过度或布局噪声耦合减小Cc检查反馈走线屏蔽4.3 几个我踩过的坑第一个坑是散热焊盘的连接。前面提过我把散热焊盘接到了系统地导致输出一直是0V。后来查数据手册才发现TPS5430的散热焊盘和GND脚是内部连通的必须接到负压轨。这个坑让我浪费了一下午。第二个坑是反馈电阻的接地位置。我一开始把反馈电阻的接地端随便接在了负压轨的某个过孔上结果那个过孔正好在开关电流的路径上反馈引入了很大的噪声输出纹波有200mV。后来把接地点改到输出电容的负极纹波立刻降到30mV。第三个坑是输入电容的耐压。我一开始用了16V的陶瓷电容结果上电没多久就炸了。原因是负压电路里输入电容承受的电压是VIN加|Vout|也就是27V16V耐压远远不够。换成50V耐压后就没问题了。第四个坑是电感的饱和电流。我一开始用了一个小尺寸的220μH电感饱和电流只有300mA结果带载200mA时电感就饱和了输出纹波剧增芯片发热。换成1.2A饱和电流的电感后一切正常。4.4 给运放供电的额外注意事项负压轨做出来之后给运放供电还有几个细节要注意。运放的负电源脚旁边要放去耦电容一般用100nF陶瓷电容加10μF钽电容靠近运放的电源脚放置。负压轨的噪声如果直接进入运放会影响信号质量。如果运放对电源噪声特别敏感可以在负压轨后面再加一级LC滤波或者负压LDO。LC滤波用一个10μH电感和一个100μF电容组成能把开关纹波再压一个数量级。负压LDO的话选那种支持负压输入的型号输出噪声更低但要注意压差和功耗。还有一点上电顺序。有些运放要求正负电源同时上电或者正电源先上如果你的系统有上电顺序要求要在负压轨上做相应的时序控制。TPS5430有使能脚可以用电阻分压或者外部信号控制上电时序。5. 性能实测与优化方向5.1 实测数据我在实验室环境下测了一组数据输入15V输出-12V环境温度25度。负载电流输出电压纹波峰峰值效率芯片温度0mA-12.05V15mV-28度50mA-12.04V20mV86%32度100mA-12.03V25mV85%36度200mA-12.01V30mV84%41度300mA-11.98V38mV82%47度从数据看200mA以内输出非常稳纹波控制在30mV以内效率84%以上芯片温度41度完全在安全范围内。300mA时输出电压开始有轻微跌落纹波也上来了但仍在可接受范围。5.2 进一步降低纹波的思路如果你需要更低的纹波比如给高精度ADC供电可以试试这几个方向。一是提高开关频率。TPS5430的频率是固定的500kHz没法改。但你可以换一颗频率更高的芯片比如1MHz以上的纹波会明显降低。不过频率高了开关损耗也大效率会下降。二是加二级LC滤波。在负压轨后面串一个电感再并一个电容组成LC低通滤波器。截止频率设在开关频率的十分之一以下能把500kHz的纹波压掉40dB以上。电感选10μH到22μH电容选100μF以上注意电感的饱和电流要够。三是用负压LDO后级稳压。负压轨先做到-13V左右再用负压LDO稳到-12VLDO的电源抑制比能把开关纹波压得很低。缺点是效率会降低因为LDO有压差损耗。四是优化布局和屏蔽。反馈走线加屏蔽、SW节点铜箔缩小、电感和二极管远离敏感电路这些都能降低纹波。有时候纹波大不是电路本身的问题而是布局耦合过来的。5.3 这个电路还能怎么扩展这个负压电路的基本框架可以扩展出不少变种。如果你需要更大的负压电流可以把TPS5430换成TPS54505A或者加一个外部MOSFET做扩流。不过要注意电流大了之后二极管和电感的损耗也大效率会下降。如果你需要可调的负压输出可以把反馈下电阻换成可调电阻通过调节阻值改变输出电压。注意调节范围要留余量别超出芯片的占空比限制。如果你需要多路负压可以用一颗芯片产生一个负压主轨再用线性稳压器或者电荷泵分出多路。不过多路负压之间的隔离和噪声要处理好。如果你需要隔离负压那就得用反激拓扑加变压器了TPS5430本身不支持隔离得换方案。我个人在实际操作中的体会是TPS5430做负压最关键的三个点一是反馈电阻的接法别搞反二是芯片GND必须浮在负压轨上三是布局时开关环路和反馈走线要严格隔离。这三点做好了基本一次成功。至于补偿网络和滤波那是锦上添花的优化先把基本功能跑通再慢慢调。最后再分享一个小技巧调试负压电路的时候示波器探头的地线夹要夹在负压轨上不能夹在系统地否则你看到的波形全是错的。这个细节看起来简单但我见过不少人在这里翻车。