之前，我写了一篇解释负电压基本原理的文章，我在LTspice实验室继续这个主题，该实验室使用模拟来阐明负电压是发生在电路中并由电路产生的东西。作为此 LTspice 实验室的一部分，我还将介绍一种电路拓扑结构，它可以产生稳定的负电压并能够为其他组件提供电流。

在这个新的系列文章中，我想更详细地了解这个负电压电路的功能，目的是加深我们对现实生活中的开关电容电源和一般电源如何工作的理解。可以优化。 

回顾：来自电容器和开关的负电压

在深入研究之前，让我们看一下图 1，它显示了我之前在上一篇负电压文章中介绍的电荷泵电路。

图 1.示例电荷泵电路。

在电路原理图中，V1 产生输入电压，V2 产生一个 500 kHz 的方波来控制所有四个开关。由于 SW1 和 SW2 模型中分配给开和关状态的电阻值不同，当 S2 和 S3 关断时，S1 和 S3 导通，反之亦然。当 S1 和 S3 允许电流流动时，源电压对电容器 C1 充电，然后所有四个开关改变状态，使得 C1 放电到电路的右侧。

接下来，C2 获得等于 V1 电源电压的电位差，但由于 C2 的较高电压端接地，较低电压端必须转移到负电压区域。因此，INVERTED 节点的电压等于负 V(SOURCE)。换言之，VOUT = –VIN。

下图（图 2）显示了输出电压下降并保持在 –VIN。

图 2.显示输出电压下降并保持在 –VIN 的示例图。

了解负载电阻的影响

也许您想知道开关电容电路是否好得令人难以置信。只有两个电容器、四个开关和一个方波？这就是我们生成良好调节的负电压电源轨所需的全部吗？好吧，不完全是；该电路实际上不是稳压器。

它不是稳压器，因为它缺少对线性稳压器和开关模式稳压器运行至关重要的东西：反馈子系统。稳压器通过监控输出并通过负反馈补偿负载变化来维持稳定、可预测的电源电压。

我们的开关电容电荷泵没有任何类型的负反馈控制系统，因此，负载电阻的降低将导致输出电压相应降低。出现这种情况是因为输出网络本质上是一个分压器。考虑到这一点，当 RLOAD = 100 kΩ 时，我们在输出端有完整的 –VIN，因为 100 kΩ 远高于电荷泵的源电阻 (ROUT)。随着 RLOAD 向 ROUT 减小，电压在这两个电阻之间的分配更加平均，因此输出电压（即 RLOAD 两端的电压）减小。

您也可以从负载电流的角度考虑这一点。假设负载电路的操作发生变化，使得电源必须提供更多电流（这在电气上等效于 RLOAD 的降低）。发生这种情况时，更多的电流流过 ROUT，更多的电压通过 ROUT 下降，输出节点处可用的输入电势差的比例更小。 

在 LTspice 中模拟可变负载电阻

我们可以使用 .step 文本命令，直接放在LTspice原理图上，以直观地评估不同 RLOAD 的影响：

.step 参数加载列表 100k 10k 1k 100 10  

此语句将使模拟针对附加到变量 LOAD 的列表中的每个值运行。我们想将这些值分配给 RLOAD 组件，我们通过在组件值字段（如图 3 所示）中使用 {LOAD}（不要忘记大括号）来实现：

图 3. 显示 Rload {LOAD} 的电荷泵电路的一部分。  

结果可以在下面的图 4 中看到。

图 4. 示例电荷泵电路的仿真结果。

三个电阻值（100 kΩ、10 kΩ、1 kΩ）都导致类似的性能，并且与这三个值对应的迹线几乎无法区分。然而，在 100 Ω（米色迹线）时，我们开始注意到输出电压下降，而在 10 Ω（绿色迹线）时，下降相当严重。

（我相信您还注意到，随着负载电阻的降低，电压纹波会显着增加。我们将在第 2 部分中对此进行讨论。）

评估输出电压的应用可行性

像这样的模拟帮助我们确定电路是否会为给定应用保持足够的输出电压。假设我们需要负电压来为电源要求为 –5 V ± 0.3 V 的组件供电；在这种情况下，可接受的电压幅度为 4.7 V。使用我们之前的结果作为起点，我们创建了另一个仿真（图 5），其 RLOAD 值将使我们接近相关电压阈值。

.step 参数加载列表 300 100 70 40 

图 5.   RLOAD 使我们接近相关电压阈值的仿真结果。   

我们的结果表明，安全 RLOAD 略低于 70 Ω。我们称之为 65 Ω。RLOAD = 65 Ω 的单次运行仿真确认我们（理论上）在可接受的范围内，如下图 6 所示。

图 6.  RLOAD = 65 Ω 时的单个仿真结果。

欧姆定律告诉我们，RLOAD = 65 Ω 时的负载电流约为 74 mA——您可以根据需要通过仿真来确认这一点。因此，我们得出结论，如果总负载电流小于 74 mA，电荷泵将能够为相关组件维持足够的负电源电压。

总而言之，我们检查了 LTspice 开关电容器电荷泵的一些有趣细节，注意到该电路不是稳压器，并使用步进仿真来确定负载电流能力。在下一篇文章中，我们将仔细研究输出纹波。