AVR單片機生成負壓的原理解析

紅外測溫傳感器的輸出是一個mV級的電壓信號，大約在室溫下（26℃左右）輸出0電壓，溫度再低就是負電壓了。要用單片機檢測這樣一個小信號，必須進行放大，可一般的單電壓運放都不能放大小信號（我曾經折騰過LM324的單電壓小信號放大，發現大約在100mV以下，LM324就沒有反應了），最常規的解決方案就是使用雙電壓供電。

雙電壓是個頭疼的事情，弄兩路電壓一般來說要使用變壓器，還得是雙繞組的，全橋整流，78 79系列IC伺候著。。?？粗筒凰?！ 如果要改用電池供電。。。麻煩??！

于是打算用負壓生成電路。 負壓生成都是一個套路，用振蕩器產生交流電，然后用電感產生感應電動勢，或者用二極管和電容組成的倍壓電路。。。既然用了單片機，那么產生交流電這個任務，就交給軟件吧~ 接著需要考慮負壓拓撲。

負壓生成有電感和電容兩種范式；其中，電感模式的有變壓器式，和電感自激這么兩種。 顯然，我還沒打算自己繞變壓器，那還不如用雙繞組市電變壓器了；電感和電容選那種呢？ 其實電感式的我做過，要想達到高效率，還真有點麻煩，最終選定電容式的了！

在baidu上一搜“負壓”，就有好多鏈接，從其中挑了一個簡單的：

當然，我用AVR代替了555，隨便找個IO，在LED掃描中斷里面反轉一下IO，產生了3K左右的方波波形，套用上面這個電路，一下子就生成了-4V的電壓（5V供電），OK~

接上100歐負載，頓時電壓跌落為-1.6V，改了改電容容量，沒效果（可能和我只改了1個電容有關系）！改了改驅動能力（多個IO口并聯驅動），也基本沒效果！改了改振蕩頻率，也基本沒效果！ 看來這個驅動能力確實有點差。。。當年用MAX232做高壓發生，還能帶動編程器呢（作為變成高壓發生）。

算了，沒時間細研究，直接焊上LM324，管腳全部懸空，電壓為3.8XV，想了想，把兩個二極管從1N4148更換為1N60（鍺管，0.2~0.3V壓降），OK，帶LM324的情況下，電壓為-4.6V了！?

現在LM324是+5V -4.6V，已經可以工作了，有空的時候再研究效率吧。

筆記一下：

第一個電容C3，我使用的是10u的；第二個電容C4，我使用的是22u的；從原理上分析，這兩個電容應該相等效果才好，否則兩個電容只等于最小的那個容量；兩個二極管為1n60，按理說1N5817之類的肖特基也是可以的，我就沒有試驗了。

這個電路的原理很簡單，雖然是倍壓拓撲，但是其實沒有進行倍壓。

如圖，C3的正極接一個方波，實質上就是依次和VCC與GND導通。當C3正極接通VCC的時候，根據二極管的特性，我們很容易得到下面的電流方向圖：

可以輕松算得，C3上充電能達到VCC-VIO-VD1，VD1為D1的壓降0.2~0.3V，VIO為單片機IO口的內阻（一般是一個三極管的飽和壓降0.2~0.3V），因此C3能達到的電壓，在VCC為5V時，約為4.4~4.6V。 實際上如果電流很小，那么二極管的壓降還要低，因此C3充電電壓實際能達到4.8V! 我實測為4.76V。

好，接著看，緊接著C3正極被接通至GND了，那么此時電流按照二極管的約束，開始由C3向C4充電：

同理，在C4上也能充上4.2~4.4V的電，我實測是4.6V。

就這樣往復，最后利用這兩個電容+兩個二極管，完成了電源從正到負的乾坤大挪移，在C4上產生了和VCC剛好相反的負電壓，幅度為VCC-VIO-VD2-VD2，帥！

寫在后面：從這個負壓發生原理可以看出，影響負載能力的，主要是電容的容量和電容充放電速度；而電容充電速度取決于單片機IO口的內阻和二極管D1，電容的放電速度取決于二極管D2，因此，要想提高帶負載能力，就在這上面下功夫吧。 如果要很強的負載能力，那還是用電感拓撲吧~