Vishay Siliconix flexibilné synchrónne regulátory buck s FET; Prevodník napájacieho napätia; Electronicsnet
13. decembra 2016, 11:12 | Owain Bryant, manažér aplikačného inžinierstva v teréne vo Vishay Siliconix
Obrázok 2 - Topológia buckového regulátora so záporným výstupným napätím
Pre aplikácie, ktoré vyžadujú záporné prevádzkové napätie, ale kde je k dispozícii iba kladné prevádzkové napätie systému, sa odporúča použitie synchrónnych buck regulátorov.
Niektoré aplikácie, ako napríklad snímače s bipolárnym výstupom alebo zvukové zosilňovače, vyžadujú kladné aj záporné prevádzkové napätie. Ďalším typickým príkladom takýchto aplikácií sú meracie obvody. Elektrické signály je často potrebné merať až do 0 voltov. To nie je možné u operačného zosilňovača, ktorý je napájaný iba kladným napätím. Ak je operačný zosilňovač napájaný kladným a záporným napätím, signál sa dá merať po celej jeho amplitúde.
Najjednoduchším spôsobom, ako generovať záporné napätie, je použitie druhého vinutia transformátora v obvode napájacieho zdroja. To však nie je možné v prípade systému, v ktorom človek nemá prístup k transformátoru v napájacom zdroji. Napríklad niektoré meracie systémy sú určené na prevádzku na externom napájacom adaptéri, ktorý dodáva unipolárne napätie 12V DC alebo 24V DC na hlavnú dosku. To šetrí miesto a náklady na systém. V takýchto systémoch sa záporné napätie má generovať z existujúceho kladného napätia. Tento článok vysvetľuje, ako to urobiť pomocou synchrónneho konvertora buck. Na tento účel je ideálne vhodný moderný synchrónny regulátor s integrovaným FET, pretože je energeticky efektívny a vyžaduje minimum externých komponentov.
Generovanie záporného výstupného napätia
Pokiaľ ide o prevod kladného vstupného napätia na záporné výstupné napätie, návrhári väčšinou uprednostňujú topológiu buck-boost (step-down/step-up) alebo niekedy topológiu SEPIC; Pri obidvoch topológiách možno dosiahnuť dobrú úroveň účinnosti, ktorá je vysoko nad úrovňou lineárneho ovládača. Navrhovaný obvod ukazuje, že rovnaký výsledok je možné dosiahnuť aj pomocou regulátora znižovania výkonu. Synchrónny regulátor dolára sa dá transformovať na regulátor zosilnenia so záporným výstupným napätím jednoduchou zmenou referenčného bodu zeme.
Tento obvod je založený na synchrónnom regulátore dolára SiP12116. Tu použitá topológia COT umožňuje vývoj veľmi jednoduchého napájacieho zdroja, ktorý nevyžaduje žiadne kompenzačné opatrenia. Regulátor postupného znižovania používa na reguláciu súčasnej hrany „spodný“ z dvoch integrovaných MOSFETov. Na externých komponentoch je potrebný iba výstupný LC filter, oddeľujúci kondenzátory na vstupe a bootstrapový kondenzátor.
Regulácia funguje rovnako ako u bežného regulátora dolára; hlavný rozdiel je v tom, že výstupný prúd preteká v opačnom smere, pretože pripojenie Vout je teraz na potenciáli zeme a výstupné napätie sa odoberá z pôvodného uzemnenia. To znamená, že výstupné napätie je záporné.
Obrázok 3 zobrazuje časovanie napätí ovládača MOSFET. To sa nelíši od regulácie bežného dolára. Napätie LX je tiež vidieť na obrázku. Amplitúda sa pohybuje od -3,3 V do +12 V; Väčšinu času (pokiaľ vedie „nižší“ MOSFET) je napätie -3,3 V. Nasledujúca krivka zobrazuje výstupné napätie -3,3 V. Ďalšia krivka zobrazuje prúd cez indukčnosť. Pretože v simulácii nie je pripojené žiadne zaťaženie, stredná hodnota je 0 A. Nasledujúce dve krivky zobrazujú najdôležitejšie parametre, a to odtokové prúdy dvoch MOSFETov, IM1 a IM2. Upozorňujeme, že tieto prúdy súvisia s 0V. Prúd cez „horný“ MOSFET (IM1) preteká od + V do 0 V. Pretože preteká od plusu do mínusu, ukazuje klesajúcu časovú krivku.
Ak blokuje M1 a M2 vedie, prúd preteká z –V na 0 V. IM1 potom prudko stúpa z –1 A na 0 A, zatiaľ čo IM2 klesne na –1 A po náhlom zvýšení na 1 A počas fázy zapínania (pretože súvisí s referenčným bodom 0 V). Pokiaľ ide o pracovný cyklus D, obvod je identický s bežným regulátorom dolára. Napätie na tlmivke je však Vin + | Vout |.
Všetky ostatné výpočty sú rovnaké ako pre bežný regulátor buck.
Najdôležitejšie špecifikácie tohto obvodu sú: Vin = 12 V, Vout = -3,3 V, Fsw = 600 kHz, Iout = 3 A, Vripple = 150 mV a Vin_ripple = 100 mV.
Synchrónny regulátor dolára meria prúd cez „nižší“ MOSFET. Snímací signál musí byť taký veľký, aby zreteľne vyčnieval zo šumu systému. To sa dosiahne veľkým zvlnením prúdu, ktorý predstavuje 40 percent prúdu záťaže. To tiež umožňuje použiť menšiu indukčnosť. Na tomto mieste chcem spomenúť, že rovnice na dimenzovanie externých komponentov sú vďaka topológii COT pomerne jednoduché a je potrebných iba niekoľko externých komponentov, pretože prúd cez „spodný“ MOSFET sa určuje interne.
Schéma zapojenia zobrazuje zmenené referenčné body: Vout sa stane 0 V a 0 V sa stane –Vout. Medzi vstup a 0 V, ako aj medzi vstup a Vout musí byť zapojený vhodne dimenzovaný oddeľovací kondenzátor.
Vďaka týmto informáciám môžu vývojári rýchlo a ľahko vyvinúť obvod, ktorý je šitý na mieru ich aplikácii. Veľkosť rozsahu záporného výstupného napätia závisí od vybraného IC synchrónneho regulátora. Tu je príklad: SiP12116 má maximálne prevádzkové napätie 16 V a so vstupným napätím 12 V môže generovať záporné výstupné napätie až –4 V. So vstupným napätím 5 V môže ten istý integrovaný obvod dodávať záporné výstupné napätie až do -11 V.
V príklade popísanom vyššie sa vstupné napätie 12 V prevádza na záporné výstupné napätie -3,3 V s účinnosťou viac ako 90 percent. Tento príklad demonštruje účinnosť aj eleganciu tohto riešenia na generovanie záporného prevádzkového napätia.