Vishay Siliconix Гнучкі синхронні регулятори напруги з FET; Перетворювач напруги живлення; Electronicsnet

13 грудня 2016 р., 11:12 | Овейн Брайант, керівник інженерії польових застосувань у Vishay Siliconix

синхронні

Рисунок 2 - Топологія регулятора напруги з негативною вихідною напругою

Для застосувань, які вимагають від’ємної робочої напруги, але де доступна лише позитивна робоча напруга системи, рекомендується використовувати синхронні регулятори напруги.

Деякі програми, такі як датчики з біполярним виходом або підсилювачі звуку, вимагають як позитивної, так і негативної робочої напруги. Вимірювальні схеми є ще одним типовим прикладом таких застосувань. Електричні сигнали часто потрібно вимірювати до 0 вольт. Це неможливо з операційним підсилювачем, який живиться лише позитивною напругою. Якщо операційний підсилювач живиться позитивною і негативною напругою, сигнал можна виміряти по всій його амплітуді.

Найпростіший спосіб генерування мінусової напруги - використання другої обмотки трансформатора в ланцюзі живлення. Однак це неможливо з системою, в якій немає доступу до трансформатора в електромережі. Наприклад, деякі вимірювальні системи призначені для роботи на зовнішньому адаптері живлення, який подає на основну плату однополярну напругу 12 В постійного струму або 24 В постійного струму. Це економить простір та системні витрати. У таких системах негативна напруга повинна генеруватися від існуючої позитивної напруги. У цій статті пояснюється, як це зробити за допомогою синхронного конвертера доларів. Для цієї мети ідеально підходить сучасний синхронний регулятор напруги з інтегрованим транзистором, оскільки він енергоефективний і вимагає мінімум зовнішніх компонентів.

Генерація негативної вихідної напруги

Коли мова йде про перетворення позитивної вхідної напруги в негативну вихідну напругу, дизайнери переважно віддають перевагу топології збільшення (пониження/підвищення) або іноді топології SEPIC; За допомогою обох топологій можна досягти хорошого рівня ефективності, який значно перевищує рівень лінійного контролера. Запропонована схема показує, що такого ж результату можна також досягти за допомогою понижуючого регулятора. Синхронний регулятор напруги може бути перетворений в регулятор підсилення з негативною вихідною напругою простою зміною базової точки землі.

Ця схема заснована на синхронному регуляторі сигналу SiP12116. Топологія COT, що використовується тут, дозволяє створити дуже просте джерело живлення, яке не вимагає жодних компенсаційних заходів. Понижуючий регулятор використовує "нижній" з двох інтегрованих MOSFET для регулювання поточного краю. Все, що потрібно для зовнішніх компонентів, це вихідний LC-фільтр, роз'єднуючі конденсатори на вході та конденсатор завантажувального ремінця.

Регулювання працює так само, як і зі звичайним регулятором доларів; Головна відмінність полягає в тому, що вихідний струм тече у зворотному напрямку, оскільки з'єднання Vout тепер має потенціал заземлення, а вихідна напруга береться від вихідного заземлення. Це означає, що вихідна напруга від’ємна.

На рисунку 3 показані терміни напруги драйвера MOSFET. Він не відрізняється від звичайного регулятора доларів. Напруга LX також видно на малюнку. Амплітуда коливається від -3,3 В до +12 В; Більшу частину часу (а саме до тих пір, поки «нижній» MOSFET проводить) напруга становить -3,3 В. Крива нижче показує вихідну напругу -3,3 В. Наступна крива показує струм через індуктивність. Оскільки в моделюванні не підключено навантаження, середнє значення дорівнює 0 А. Наступні дві криві показують найважливіші параметри, а саме струми стоку двох MOSFET, IM1 та IM2. Зверніть увагу, що ці струми відносяться до 0 В. Струм через "верхній" MOSFET (IM1) протікає від + V до 0 В. Оскільки він протікає від плюса до мінуса, він показує криву падіння часу.

Якщо M1 блокує і M2 проводить, струм протікає від –V до 0 В. IM1 тоді різко зростає від –1 A до 0 A, тоді як IM2 падає до –1 A після різкого підйому до 1 A під час фази включення (оскільки відноситься до контрольної точки 0 В). Що стосується робочого циклу D, то схема ідентична звичайному регулятору. Однак напруга на індукторі становить Vin + | Vout |.

Всі інші розрахунки такі ж, як і для звичайного регулятора доларів.

Найважливішими характеристиками цієї схеми є: Vin = 12 В, Vout = -3,3 В, Fsw = 600 кГц, Iout = 3 А, Vripple = 150 мВ і Vin_ripple = 100 мВ.

Синхронний регулятор напруги вимірює струм через "нижній" MOSFET. Сенсорний сигнал повинен бути настільки великим, щоб він чітко виділявся із системних шумів. Це досягається при великому струмі пульсацій, що становить 40 відсотків струму навантаження. Це також дозволяє використовувати меншу індуктивність. На цьому етапі я хочу зазначити, що рівняння для вимірювання зовнішніх компонентів відносно прості завдяки топології COT, і потрібно лише кілька зовнішніх компонентів, оскільки сила струму через "нижній" MOSFET визначається внутрішньо.

Принципова схема показує змінені опорні точки: Vout стає 0 V, а 0 V стає –Vout. Конденсатор відповідного розміру роз'єднувача повинен бути підключений між входом і 0 В, а також між входом і Vout.

З цією інформацією розробники можуть швидко та легко розробити схему, пристосовану до їх застосування. Розмір негативного діапазону вихідної напруги залежить від обраної мікросхеми синхронного регулятора напруги. Ось приклад: SiP12116 має максимальну робочу напругу 16 В і може подавати негативну вихідну напругу до –4 В при вхідній напрузі 12 В. При вхідній напрузі 5 В той самий ІС може подавати від’ємну вихідну напругу до -11 В.

У прикладі, описаному вище, вхідна напруга 12 В перетворюється на негативну вихідну напругу -3,3 В з ефективністю понад 90 відсотків. Приклад демонструє ефективність та елегантність цього рішення для створення негативної робочої напруги.