Vishay Siliconix Гъвкави синхронни регулатори с FET; Преобразувател на захранващо напрежение; Electronicsnet

13 декември 2016 г., 11:12 ч. | От Оуейн Брайънт, мениджър по инженерно приложение в Vishay Siliconix

гъвкави

Фигура 2 - Топология на бак регулатор с отрицателно изходно напрежение

За приложения, които изискват отрицателно работно напрежение, но когато е налице само положително работно напрежение на системата, се препоръчва използването на синхронни регулатори.

Някои приложения, например сензори с биполярен изход или аудио усилватели, изискват както положително, така и отрицателно работно напрежение. Веригите за измерване са друг типичен пример за такива приложения. Електрическите сигнали често трябва да се измерват до 0 волта. Това не е възможно с операционен усилвател, който се захранва само от положително напрежение. Ако операционният усилвател се захранва от положително и отрицателно напрежение, сигналът може да бъде измерен по цялата му амплитуда.

Най-лесният начин за генериране на отрицателно напрежение е използването на втора трансформаторна намотка във веригата на захранването. Това обаче не е възможно в система, в която човек няма достъп до трансформатора в захранването. Някои измервателни системи са проектирани например за работа на външен захранващ адаптер, който подава еднополярно напрежение от 12V DC или 24V DC към основната платка. Това спестява място и системни разходи. В такива системи отрицателното напрежение трябва да се генерира от съществуващото положително напрежение. Тази статия обяснява как да направите това, като използвате синхронен конвертор на долари. Модерен синхронен регулатор на вложката с интегриран FET е идеално подходящ за тази цел, тъй като е енергийно ефективен и изисква минимум външни компоненти.

Генериране на отрицателно изходно напрежение

Когато става въпрос за преобразуване на положително входно напрежение в отрицателно изходно напрежение, дизайнерите предпочитат най-вече топологията за усилване (понижаване/увеличаване) или понякога топологията SEPIC; И с двете топологии може да се постигне добра степен на ефективност, която е далеч над тази на линейния контролер. Предложената схема показва, че същият резултат може да бъде постигнат и с понижаващ регулатор. Синхронният регулатор може да се трансформира в усилващ регулатор с отрицателно изходно напрежение, като просто се промени основната точка на земята.

Тази схема се основава на синхронния регулатор на гребена SiP12116. Използваната тук топология COT позволява разработването на много просто захранване, което не изисква никакви мерки за компенсация. Понижаващият регулатор използва "долния" от двата интегрирани MOSFET за текущо регулиране на ръба. Всичко, което се изисква за външни компоненти, е изходен LC филтър, разединяващи кондензатори на входа и кондензатор за зареждане.

Регулацията работи по същия начин, както при обикновения регулатор на долара; основната разлика е, че изходният ток протича в обратна посока, тъй като връзката Vout вече е с потенциал на земята и изходното напрежение се взема от първоначалната връзка на земята. Това означава, че изходното напрежение е отрицателно.

Фигура 3 показва времето на напреженията на MOSFET драйвера. Той не се различава от този на обикновения регулатор. LX напрежението може да се види и на фигурата. Амплитудата варира от -3,3 V до +12 V; През по-голямата част от времето (а именно докато "по-ниският" MOSFET провежда) напрежението е -3,3 V. Кривата по-долу показва изходното напрежение от -3,3 V. Следващата крива показва тока през индуктивността. Тъй като при симулацията не е свързан товар, средната стойност е 0 А. Следващите две криви показват най-важните параметри, а именно изтичащите токове на двата MOSFET, IM1 и IM2. Имайте предвид, че тези токове са свързани с 0V. Токът през "горния" MOSFET (IM1) протича от + V до 0 V. Тъй като тече от плюс към минус, той показва крива на падащо време.

Когато M1 блокира и M2 провежда, токът протича от –V до 0 V. IM1 след това рязко се покачва от –1 A до 0 A, докато IM2 спада до –1 A след рязко покачване до 1 A по време на фазата на включване (защото е свързано с референтната точка 0 V). Що се отнася до работния цикъл D, веригата е идентична с обикновения регулатор. Напрежението на индуктора обаче е Vin + | Vout |.

Всички останали изчисления са същите като при обикновения регулатор на долара.

Най-важните спецификации на тази схема са: Vin = 12 V, Vout = -3,3 V, Fsw = 600 kHz, Iout = 3 A, Vripple = 150 mV и Vin_ripple = 100 mV.

Синхронен бак регулатор измерва тока чрез "долния" MOSFET. Сензорният сигнал трябва да бъде толкова голям, че ясно да се откроява от системния шум. Това се постига с голям пулсационен ток от 40 процента от тока на натоварване. Това също така дава възможност да се използва по-малка индуктивност. На този етап бих искал да спомена, че уравненията за оразмеряване на външните компоненти са относително прости благодарение на топологията COT и са необходими само няколко външни компонента, тъй като токът през "долния" MOSFET се определя вътрешно.

Схемата на схемата показва променените референтни точки: Vout става 0 V и 0 V става –Vout. Подходящо оразмерен разединителен кондензатор трябва да бъде свързан между входа и 0 V, както и между входа и Vout.

С тази информация разработчиците могат бързо и лесно да разработят схема, съобразена с тяхното приложение. Размерът на диапазона на отрицателното изходно напрежение зависи от избрания IC синхронен регулатор на напрежение. Ето пример: SiP12116 има максимално работно напрежение 16 V и може да достави отрицателно изходно напрежение до –4 V с входно напрежение 12 V. С входно напрежение 5V, същата интегрална схема може да достави отрицателно изходно напрежение до -11V.

В описания по-горе пример, входно напрежение от 12 V се преобразува в отрицателно изходно напрежение от -3,3 V с ефективност от над 90 процента. Примерът демонстрира както ефективността, така и елегантността на това решение за генериране на отрицателно работно напрежение.