单片机负电压

    在电子电路中我们常常需要使用负电压,比如说我们在使用运放的时候常常需要建立一个负电压。下面就简单的以正5V电压到负电压5V为例说一下它的电路。

    通常需要使用负电压时一般会选择使用专用的负压产生芯片,但这些芯片都比较贵,比如电荷泵原理的 ICL7600、LT1054,工作温度范围为 0°C 至 70°C 的 1.5A 升压、降压、反相开关稳压器的MC34063。

下面在单片机电子电路中常用的负电压产生电路(有时候将单片机配置为推挽输出也省略了Q1和Q2)。

注意:输出电压约 ≈ 电源电压 - 2.1v  ≈ 1.2v

2.1v的来源是3个二极管的压降。

参考链接

单片机中常用的负电压是怎样产生的? (qq.com)icon-default.png?t=N7T8https://mp.weixin.qq.com/s/7LH04Rlg4YX8zNCEhuhBMA

高可靠MCU负载开关电路设计过程-优快云博客icon-default.png?t=N7T8https://blog.youkuaiyun.com/anlog/article/details/137148085?ops_request_misc=&request_id=&biz_id=102&utm_term=%E9%AB%98%E5%8F%AF%E9%9D%A0%20anlog&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~sobaiduweb~default-0-137148085.142^v100^control&spm=1018.2226.3001.4187 

特此记录

anlog

2024年5月16日

开关电源具有体积小、效率高、重量轻、噪声低等优点,其应用越来越广泛。我们在设计蓄电池充电器时,就采用开关电源作为主电路,其中开关器件采用第三代IGBT,其主要优点是耐压高,驱动功率小,开关频率高,导通电阻小。 目前,数模转换器从接口上可分为两大类:并行接口数模转换器和串行接口数模转换器。并行接口数模转换器的引脚多,体积大,占用单片机的口线多;而串行数模转换器的体积小,占用单片机的口线少。 电源设计人员经常面临种种互相对立的要求。一方面要缩小体积、降低成本,另一方面又要提供更多功能并提高输出功率。受原理上的限制,模拟电源本身的功能有限,而模拟电源控制器的设计更是越来越复杂。由于这一原因,有些设计人员转向了纯数字电源设计。然而,对于许多设计人员来说,如此快速地转向不熟悉的领域并不容易。比较可行的一种折衷方法是采用传统模拟电源,但增加数字单片机做为前端。 这种设计的优点在于电源本身的控制仍然使用模拟技术来实现。因此电源设计人员不需要从头重新开始全数字设计就可以为现有设计增加新的功能。采用这种方法,设计中仍然使用熟悉的误差放大器、电流检测以及电压检测电路。当然,尽管有些设计单元(如补偿网络)仍然采用分立器件实现,但其余部分则由单片机来控制。 单片机能够带来的功能可分为四类:控制、监测、判断性功能及通信。控制功能与单片机和电源之间的硬件接口有关。有些电源控制器在内部生成控制信号(如参考电压)。这样的控制器为单片机提供的外部连接点很少。 目前,单片机在许多电源设计中的作用主要是监测。许多单片机都有片上模数转换器(ADC)和模拟比较器。因此,单片机在监测输入电压、输入电流、输出电压、输出电压和温度等信号方面是理想之选。 单片机能够监测范围如此广泛的信号,就可以完成更多功能,如智能故障检测。单片机的多功能源于其可编程能力,可以方便地进行定制来满足设计要求。这样,对于故障情况就可以分类进行处理。短暂的过流以及其他非关键故障可能只需要设置一个标志就可以了。而过热这样的故障则可能需要关闭电源,直到故障排除。需要重新启动电源的故障也可以进行更严格的控制。在某个时间段内如果有太多的故障,单片机就可以永久关断电源。 由于采用接口简单的模拟数字转换器TLC5615,使得开关电源的硬件电路大为简化,线路板面积缩小,成本降低。
<think>嗯,用户这次的问题很明确:想知道单片机能够承受的最大负电压值。不过从提问方式看,ta可能混淆了ADC输入范围和整个单片机芯片的耐受电压——这是两个不同层面的问题。 用户引用了ADS8688 ADC的负电压测量能力,但实际需求是针对单片机本身的电气特性。需要特别注意区分: 1. ADC输入范围(如引用中提到的-10.24V)是信号测量范围 2. 单片机引脚绝对最大额定值(芯片不被损坏的物理极限) 用户之前讨论过低压降二极管(0.3V),现在转向负电压,可能是设计电池供电系统或需要测量双向信号的场景。这类应用通常涉及电源反接保护或传感器信号采集。 回答要重点强调安全边界概念:比如某单片机标称最大耐受-0.3V,实际设计应按-0.5V来预留裕量。同时给出具体保护方案,因为用户真正需要的是解决方案而非理论值。 考虑到用户可能是硬件工程师,补充ESD保护二极管选型要点很必要——比如选用VBR=5V的TVS管时,要确保其结电容不影响信号带宽。最后用表格对比不同防护方案,这样ta能快速决策。 对了,必须在回答中明确警告:超过绝对最大值的负电压会触发闩锁效应(latch-up),这是芯片永久损坏的常见原因。可以举个实例:某STM32的VSS-0.3V限值被超出0.2V导致批量故障。</think>关于单片机允许输入的最大负电压值,需从**电气安全边界**和**ADC输入范围**两个层面分析: ### 一、核心限制因素 1. **绝对最大额定值(Absolute Maximum Ratings)** 单片机数据手册会明确标注引脚电压范围,通常为: $$V_{SS} - 0.3V \leq V_{IN} \leq V_{DD} + 0.3V$$ 其中 $V_{SS}$ 是接地端(0V),$V_{DD}$ 是电源电压。**超出此范围可能永久损坏芯片**。 2. **ADC输入范围限制** 若涉及模数转换(如引用中的ADS8688),需额外关注: - ADC测量范围可能独立于电源电压(如支持负电压输入) - 但输入电压仍需满足: $$V_{AIN\_min} \leq V_{IN} \leq V_{AIN\_max}$$ 例如ADS8688在4.096V基准下支持 $-10.24V \leq V_{IN} \leq +10.24V$[^1] --- ### 二、具体判断步骤 1. **查数据手册** - 在单片机手册的 *"Absolute Maximum Ratings"* 章节查找 **"Input Voltage Range"** - 典型值示例: - STM32系列:$V_{SS}-0.3V \sim V_{DD}+0.3V$ - ESP32:$-0.3V \sim 3.6V$(当 $V_{DD}=3.3V$ 时) 2. **区分普通IO与ADC引脚** | 引脚类型 | 负电压容忍范围 | 风险说明 | |----------------|----------------------|------------------------------| | 普通数字IO | 通常 $-0.3V \sim V_{DD}+0.3V$ | 负电压可能触发寄生二极管导通 | | 专用ADC引脚 | 可能扩展至负值(如-10V) | 需内部负压生成电路支持 | --- ### 三、负压输入保护方案 若需测量负电压(如-5V传感器信号): ```python # 示例:电阻分压+钳位保护电路 V_in = -5.0 # 输入电压 R1 = 10e3 # 分压电阻1 (10kΩ) R2 = 10e3 # 分压电阻2 (10kΩ) V_clamp = 0.3 # 钳位二极管压降 # 计算ADC输入电压 V_adc = (V_in * R2) / (R1 + R2) # 分压后 = -2.5V # 添加钳位二极管保护后: if V_adc < -V_clamp: V_adc = -V_clamp # 钳位至安全值(-0.3V) ``` **电路设计要点**: 1. 前置电压跟随器(运放缓冲) 2. 并联肖特基二极管($V_F≈0.3V$)到 $V_{SS}$ 和 $V_{DD}$ 3. 串联限流电阻(1-10kΩ) --- ### 四、关键结论 1. **安全边界**:绝大多数单片机**禁止输入低于 $-0.3V$ 的电压**(以 $V_{SS}$ 为基准) 2. **特殊ADC例外**:若芯片明确支持负压测量(如ADS8688),需满足: - 输入电压 $\geq V_{AIN\_min}$(如$-10.24V$) - 仍不可低于 $V_{SS}-0.3V$ 3. **未保护的风险**:负电压可能导致: - 闩锁效应(Latch-up) - ESD保护二极管击穿 - ADC基准电压偏移 > 📌 **操作建议**:在设计负压测量电路时,优先选用内置负压输入的ADC(如ADS8688),或通过电平移位电路将信号转换到 $0V \sim V_{DD}$ 范围。
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