Analog Devices, Inc.
Avtorja: Erik Lamp, višji inženir za uporabo izdelkov in Randyco Prasetyo, glavni inženir za aplikacije izdelkov
Naprave interneta stvari (IoT), industrijski senzorji, merilniki, precizna in medicinska oprema pogosto potrebujejo pozitivno in negativno napajalno napetost. Pogosto morata biti ti napetosti simetrični in izvirati iz enega samega napajalnika. Ta članek pojasnjuje tržne trende, tehnične zahteve in primerjalno analizo rešitev, njegov namen pa je opremiti prodajno ekipo s spoznanji, potrebnimi za učinkovito promocijo izdelkov.
Opredelitev pojmov:
Pretvornik: integrirano vezje za krmiljenje energije z integriranimi stikali v integriranem vezju ali brez njih.
Regulator: pretvornik z vgrajenimi stikali.
Krmilnik: Pretvornik z zunanjimi stikali.
Situacija na trgu
Različne elektronske zasnove zahtevajo eno ali več negativnih napetosti v napajalniku, ki se pogosto združujejo s simetrično pozitivno napetostjo. Nekateri tipični primeri uporabe so:
V pogonih vrat za polnilnik in trakcijski pretvornik električnih vozil (na primer za pogon galij-nitridnih (GaN) FET-ov in bipolarnih tranzistorjev z izoliranimi vrati (IGBT)).
V visoko zmogljivih ADC in DAC ter „rail-to-rail“ operacijskih ojačevalnikih za industrijske in medicinske aplikacije.
V LCD zaslonih za izdelke za široko porabo.
Pri krmilnih (lavinskih) fotodiodah.
V medicinskih aplikacijah, kot so rentgenski žarki.
V nadaljevanju sta predstavljena dva tipična blok diagrama takšnih zasnov.
Krmilniki vrat
Pri visokozmogljivih stikalnih napajalnikih in motornih pogonih je pogosto potrebna negativna gonilna napetost, kar je posledica:
Sistemi morda nimajo tesno nameščene in povezane postavitve tiskanih vezij, njihova ozemljitev vezja pa je običajno sklopljena s šumi iz vse okolice sistema in lahko niha okoli nivoja ozemljitve.
Glavne napajalne naprave, kot so IGBT, silicijev karbid (SiC) ali GaN FET, so pogosto do nekaj centimetrov oddaljene od vezja za krmiljenje vrat, razen če so vse nameščene v modulu. Zato se lahko signal, ki prihaja iz krmilnikov vrat, popači, ko doseže napajalne naprave, zato je zaželena dodatna varnostna rezerva.
Napredne napajalne naprave, kot so GaN FET, imajo pogosto nizek prag vklopa, zato so bolj občutljive na spremembe napetosti na vratih. Nekateri visokonapetostni GaN FET imajo lahko visok CGD ali velike razlike v procesu, kar lahko povzroči vklop, ki ga povzroči Millerjev učinek. V tem primeru končnim strankam predlagamo, da uporabijo negativno napetost na vratih tranzistorja in tako zagotovijo, da naprava ohrani izklopljeno stanje. Pri nekaterih vrstah IGBT je za popoln izklop potrebna negativna napetost.
Eden od primerov je uporaba izoliranega gonilnika ADuM4120 [1]. Pri takšnih aplikacijah se napajalne naprave napajajo iz pozitivne napetosti V1 in negativne napetosti V2, kot je prikazano na sliki 1.
Rail-to-Rail operacijski ojačevalniki
Pri različnih aplikacijah za obdelavo signalov se pogosto uporabljajo „rail-to-rail“ operacijski ojačevalniki, kadar mora imeti izhod širok razpon blizu napajanja, kadar vhod niha okoli referenčne vrednosti ali kadar je potrebna najvišja natančnost. Tipičen primer sistema gramofonskega predojačevalnika je prikazan na sliki 2. Ta zasnova zahteva eno pozitivno 15 V in eno negativno 15 V napetost.
Zahteve
Topologije IC za ustvarjanje pozitivne napetosti iz glavnega napajanja so pogosto dobro poznane in vključujejo regulatorje z nizkim padcem napetosti (LDO), „buck“, boost, „buck“-boost itd. Vendar pa izbori in kompromisi pri ustvarjanju negativne napetosti v prejšnjih publikacijah niso bili poglobljeno obravnavani. Oglejmo si nekaj zahtev in razvojnih izzivov.
Izolacija
Včasih je treba ± napetosti ločiti od napajanja, predvsem zaradi varnostnih razlogov ali ker ni skupne mase. Na primer, v pogonskih sklopih električnih vozil se 12-voltno krmilno vodilo večinoma napaja iz pomožne 12-voltne baterije. Za nadzor visokonapetostnega akumulatorja ga je treba izolirati, tako da morebitna napaka pri nizki napetosti ne povzroči varnostnih tveganj. Takšnih 12 V se pogosto pretvori v ±5 V ali ±15 V z galvansko ločitvijo za napajanje več signalnih verig in gonilnih integriranih vezij v pogonskih pretvornikih ali polnilnikih. Izolacijo lahko potrebujejo tudi drugi industrijski pretvorniki, kot so fotovoltaični pretvorniki ali motorni pogoni.
Kompaktne dimenzije
Pri nekaterih aplikacijah, kot so medicinski monitorji za bolnike, je miniaturizacija ključni cilj pri načrtovanju. Takšne naprave morajo zajemati in ojačiti različne signale s senzorjev in jih voditi preko številnih visoko natančnih pretvornikov. Zelo zaželena je majhna rešitev za ustvarjanje ± napetosti za napajanje takšnih pretvornikov.
Učinkovitost
Izboljšanje učinkovitosti je pogosto cilj vsakega novega projekta. Na primer, pogost trend pri uporabi ojačevalnikov je uporaba nižjih napetosti na vodilih, če na izhodu ni očitnih popačenj in je učinkovitejše, če je za ustvarjanje teh napetosti na vodilih potrebne manj energije.
Časovni razpored in simetrija
Pri posebnih aplikacijah, kot so medicinski rentgen, napetosti ± morda ne zahtevajo visoke natančnosti, vendar morajo biti simetrične z minimalno razliko v absolutni vrednosti, zato je najbolje imeti natančno regulacijo in časovni nadzor obeh napetosti.
Rešitve
Rešitve so navedene po vrstnem redu glede na zapletenost in splošno učinkovitost, za primerjavo pa so prikazane tudi prednosti in slabosti.
Zener dioda
Enostaven način ustvarjanja ± napetosti brez integriranega vezja je uporaba Zener diode, kot je prikazano na sliki 3. Pri tej rešitvi je izhod vira V3 razdeljen z Dz in Rz. Če je V3 enak 9 V in Dz je 5 V Zener dioda, potem bodo vrata krmiljena s +5 V in -4 V. Ta metoda zagotavlja poceni rešitev, saj ne zahteva dodatnih integriranih vezij. Vendar je ta rešitev zelo neučinkovita in ni primerna za aplikacije, ki zahtevajo več deset miliamperov in dobro regulirano izhodno napetost. Zato se ta topologija ne uporablja pogosto.
Črpalka naboja
Uporaba črpalke naboja je priročna metoda za inverzijo pozitivnega vhoda, saj ni potrebna induktivna komponenta. Obstaja veliko integriranih vezij za črpalko naboja, ki omogočajo takšno funkcijo in so v različnih okoliščinah primernejša.
Za potrebe nizke porabe Analog Devices ponuja številne regulirane in neregulirane črpalke naboja, kot je na primer LTC1983 [2] na sliki 4. Čeprav je ta rešitev zelo preprosta in se nahaja v majhnem ohišju, je njena pomanjkljivost učinkovitost in morebitne visoke elektromagnetne motnje (EMI). Ta kategorija naprav je omejena z obremenitvenim tokom in se običajno uporablja v aplikacijah, ki potrebujejo manj kot 100 mA.
Če pa je zaželena nizka stopnja šuma/nizka stopnja EMI, da bi se izognili morebitnim motnjam v drugih občutljivih vezjih (zlasti za medicinsko opremo, zaznavanje in komunikacijske aplikacije), ADI ponuja izdelke, kot je LTC3265 [3], ki vključuje LDO regulatorje z nizko stopnjo šuma na vsakem od dvojnih izhodov črpalke naboja (slika 5). Čeprav je izhodni tok omejen na 50 mA, je ta rešitev veliko bolj prijazna do EMI in združuje pozitivne in negativne izhodne tirnice v samo enem integriranem vezju. Z zelo nizkim izhodnim šumom je zelo uporabna v aplikacijah za precizno instrumentacijo za krmiljenje ojačevalnikov in podatkovnih pretvornikov z majhno porabo.
V aplikacijah, kjer sta potrebni pozitivna napetost z visokim obremenitvenim tokom (za napajanje sistema) in negativna napetost z manjšim obremenitvenim tokom (za prednapetost ali referenco), se lahko diskretna negativna črpalka naboja uporabi v skoraj vsakem regulatorju „buck“ ali boost brez dodatnega integriranega vezja. Primer vezja je prikazan v članku „Generating Negative Output Voltage from Positive Input Voltage Using MAX17291 Boost Converter IC with Active Discharge Feature“ [4] in uporablja MAX17291 [5] z zunanjim vezjem za ustvarjanje črpalke naboja. Pomanjkljivost je v regulaciji napetosti in dinamičnem odzivu črpalke naboja pri obremenitvi.
Inverzni pretvornik
Črpalke naboja so relativno bolj uporabne pri znanih kombinacijah vhod/izhod brez potrebe po natančni regulaciji, za s tem povezane motnje šuma pa poskrbi dodatno filtriranje. Za aplikacije s širokim razponom vhodnih ali izhodnih napetosti s potrebami po natančni regulaciji je priporočljivo uporabiti topologije s stikalnimi načini, ki delujejo s tuljavami.
Obstaja nekaj takšnih topologij, ki omogočajo pretvorbo iz pozitivne v negativno, vendar so pogosto vse uvrščene v kategorijo inverznih topologij in lahko zmedejo inženirje. Čeprav lahko pogosto opravijo enako nalogo pretvorbe energije, so to kompromisne rešitve. V nadaljevanju so predstavljene tri tipične topologije. Prvi dve sta si podobni, vendar uporaba „buck“ integriranega vezja zagotavlja več možnosti, čeprav ni posebej zasnovan za ustvarjanje negativnih napetosti.
Inverzni „buck-boost« pretvornik z uporabo „buck“ IC
Samostojni inverzni „buck-boost“ pretvornik
(CÜK) inverzni „buck-boost“ pretvornik z dvema tuljavama
Topologija (1)
Inverzni „Buck-Boost“ pretvornik z uporabo »Buck« integriranega vezja
Ko izhodna stran tipičnega sinhronega „buck“ pretvornika preklaplja maso vezja, nastane inverzni „buck-boost“ (IBB) pretvornik, kot je prikazano na sliki 6. Ta pristop je priljubljen, saj je na trgu na voljo veliko možnosti za sinhrone „buck“ regulatorje ali krmilnike. Za aplikacije, občutljive na šum, se lahko ADI-jevi monolitni „buck“ regulatorji Silent Switcher® [6], kot je LT8624S [7] s tehnologijo Silent Switcher 3, konfigurirajo kot IBB za ustvarjanje negativnega napetostnega vodila z odličnimi širokopasovnimi in EMI šumnimi lastnostmi. Slika 6 prikazuje primer vezja LT8624S kot IBB in je na voljo v članku „Fast-Transient Negative Voltage Rail for Noise-Sensitive Applications“ [8]. Za dodatno filtriranje je mogoče na izhod dodati negativni vhodni regulator LDO z nizkim šumom. Podjetje ADI ima na voljo različne možnosti sinhronega „buck“ regulatorja z zunanjimi FET-i, če je pri uporabi te topologije zaželena večja moč.
Pomanjkljivost tega je, da ima IC za ozemljitev kar ozemljitev pretvornika, ne pa na sistemsko ozemljitev (ki je pozitivna stran izhoda). Če je mikrokontroler potreben za izvajanje funkcij, kot je omogočanje SYNC ali samo sprejemanje signala PGOOD, bo morda potrebno zunanje vezje za prilagoditev nivoja, kar je lahko neprijetno. Primer takšnega dodatnega vezja za prilagoditev nivoja je omenjena v članku „Generating Negative Voltages-Why You Need Level Shifting in Buck-Boost Circuits“ in je prikazan na sliki 6. Če je zaželena komunikacija PMBus®/I2C, pretvornik nivoja morda ne bo deloval in bo potreben zunanji integrirani digitalni izolator.
Če se uporablja pretvornik brez potrebe po zunanjem zaznavanju ali krmiljenju, je za IBB primernejša uporaba „buck“ integriranega vezja, ki ponuja več različnih možnosti. Na ta način je mogoče konfigurirati vse „buck“ pretvornike s katero koli napetostjo in tokom, vendar bo večina potrebovala zunanje pretvornike nivojev za krmiljenje.
Topologija (2)
Samostojni inverzni „Buck-Boost“ pretvornik
Če zunanji nivojski pretvorniki v aplikaciji niso zaželeni, obstajata dve rešitvi: uporabite asinhroni IBB ali pa pretvornike nivoja vgradite v integrirani pretvornik. Na primer:
Asinhroni IBB: Asinhroni IBB se lahko oblikuje z uporabo PMOS kot primarnega stikala in diode namesto sinhronega stikala. To omogoča, da se IC naveže na sistemsko ozemljitev, ne da bi bilo treba uporabiti nivojske pretvornike. Tako je pozitivna stran izhodne obremenitve vezana na vhodno ozemljitev. V tem primeru se lahko uporabi IC LTC3863 [9], kot je prikazano na sliki 7. Pogosto je manj učinkovita kot uporaba „buck“ IC-ja, saj imata PMOS in dioda običajno večje izgube kot sinhroni pretvornik na osnovi NMOS.
IBB Buck z vgrajenimi pretvorniki nivoja: namesto zunanjih pretvornikov nivoja, ko se kot IBB uporablja „buck“ IC, ima lahko vsak vhodni in izhodni signal svoj pretvornik nivoja, ki je vgrajen v IC. To je priročno za razvijalce. Na primer, MAX17577/MAX17578 [10] in MAX17579/MAX17580 [11] sta IBB „buck“ pretvornika, ki imata integrirane pretvornike nivoja na priključkih EN in RESET.
Če sta zaželena visoka moč in visok izkoristek, je priporočljiv LTC3896 [12]. Gre za bolj izpopolnjen, visoko zmogljiv sinhroni stikalni krmilnik z vgrajenimi pretvorniki nivoja. Čeprav gre za razmeroma velik IC v 38-pin TSSOP ohišju, je zelo energetsko učinkovit in podpira NMOS za obe stikali. Ta naprava je priporočljiva za zahteve po moči, večje od 100 W.
Topologija (3)
Inverzni „Buck-Boost“ pretvornik z dvema tuljavama (CÜK)
Kadar je stikalni šum problematičen, lahko CÜK pretvornik generira negativno izhodno napetost z manjšim šumom kot IBB pretvornik. Ta topologija je prikazana na sliki 8 z dvema tuljavama in enim sklopnim kondenzatorjem. Prednost tega pretvornika je v njegovi preprostosti, saj je za inverzijo vhoda potrebno le nizko stransko stikalo, ki je lahko NMOS, zato je izkoristek visok. LT8330 [13] na primer potrebuje le 8 priključkov in z njim ni težko razviti pretvornika. Ta IC je eden od ADI-jevih regulatorjev z dvema vgrajenima ojačevalnikoma napak, ki mu omogočata zaznavanje pozitivne ali negativne izhodne napetosti. Podobni regulatorji, kot so LT8331, LT8333, LT8334, LT8570 in LT8580, ponujajo različne nazivne vrednosti in funkcije za pokrivanje različnih zahtev običajnih aplikacij.
Ta topologija sicer potrebuje dve tuljavi, vendar če sta tuljavi sklopljeni, kot je prikazano na sliki 8, se valovanje na izhodu znatno zmanjša, prihrani pa se lahko tudi pri velikosti izhodnega kondenzatorja. Ker je po ena tuljava na vsaki vhodni in izhodni strani, so tokovi zvezni, celotno vezje pa lahko manj šumi kot druge topologije. Če je potrebna večja moč, je lahko dobra izbira IC krmilnik z zunanjim FET-om, kot je LT3758 [14].
Flyback pretvornik
Če je transformator potreben zaradi izolacije (kot pri flyback pretvorniku), je zelo enostavno ustvariti ± izhodne napetosti z dodajanjem dodatnega navitja na izhodni strani. Tu na transformatorju lahko z nastavitvijo več navitij v različnih smereh skupaj z zapornimi diodami ustvarimo pozitivno ali negativno napetost, kot je prikazano na sliki 9. LT8306 [15]˛na primer ne potrebuje fotoupora za povratno vezavo, kar prihrani na računu materiala.
Ustvarjena negativna napetost je sicer priročna, vendar je neregulirana, in če je potrebna regulacija, je priporočljivo na izhodu dodati še en negativni LDO regulator.
Poseben pretvornik z dvojno topologijo
Glede na to, da večina aplikacij, ki zahtevajo negativni izhod, zahteva tudi dopolnilni pozitivni izhod, ima ADI različne rešitve, ki uporabljajo prej omenjene topologije in zagotavljajo dve ali več ± napetosti v enem IC-ju.
Takšni primeri so:
Dvojni 42 VIN, 3 A boost/inverting regulator LT8582;
Dvojni 50 VIN, 2 A multitopology regulator LT8471;
Dvojni 5.5 VIN, 2 A/1.2 A boost/inverting regulator ADP5076;
3-kanalni 60 V izolirana micropower enota ADP1034
Rešitve za močnostni modul
Za mnoge inženirje, ki želijo izjemno majhno rešitev ali popolnoma integrirano napajalno rešitev, se lahko odločijo za mikro napajalni modul. LTM4655 [16] je na primer 40 VIN, dvojni 4 A inverzni regulator μModule® z dvema popolnoma neodvisnima izhodnima kanaloma, ki ju je mogoče konfigurirati za pozitivni ali negativni izhod, in je že skladen s standardom EN550222 razreda B za nizko stopnjo EMI. S tem prihranite veliko dela pri načrtovanju in odpravljanju težav. LTM8049 [17] je še ena dobra možnost z do 20 VIN in dvema izhodoma do +24 V ali do -24 V.
Zaključek
Dodajanje negativnega napetostnega vodila v sistem ni primerno – prodajalci integriranih vezij kot prednost rešitve ponujajo brez negativne napetosti. Proizvajalci GaNFET na primer prepričujejo stranke, naj ne uporabljajo negativnega krmiljenja vrat, proizvajalci operacijskih ojačevalnikov pa priporočajo operacijske ojačevalnike z enojnim napajanjem in boljšo zmogljivostjo. Vendar pa v številnih vrhunskih aplikacijah še vedno obstaja povpraševanje po ustvarjanju negativnih napetosti.
V tabeli 1 je prikazana primerjava nekaterih rešitev, omenjenih v tem članku. Ker podjetje ADI proizvaja na tisoče uporabnih integriranih vezij različnih topologij in različnih nazivnih vrednosti, so lahko priporočene omejitve in splošne lastnosti subjektivne in se razlikujejo glede na številko posameznega dela. Če to berete kot razvojni inženir, se poleg iskanja na spletnem mestu analog.com lahko obrnete na lokalnega predstavnika podjetja ADI in se posvetujete o najboljšem izdelku, ki bi lahko bil primeren za vašo zasnovo.
Viri:
Schnell, Ryan. “Driving a Unipolar Gate Driver in a Bipolar Way.” Analog Dialogue,Vol. 52. No. 10, October 2018.
“Generating Negative Output Voltage from Positive Input Voltage Using MAX17291 Boost Converter IC with Active Discharge Feature.” Analog Devices, Inc.
Dostal, Frederik. “Generating Negative Voltages—Why You Need Level Shifting in Buck-Boost Circuits.” Analog Dialogue, Vol. 57, No. 2, May 2023.
Internal Power Switch Boost Regulators.AnalogDevices,Inc.
Keeping, Steven. “Using an Inverting Regulator for Buck/Boost DC-to-DC Voltage Conversion.” DigiKey, August 2015.
Schaeffner,Thomas.“The Best Way to Generate a Negative Voltage for your System.” Newelectronics, January 2018.
Dostal,Frederik.“The Art of Generating Negative Voltages.”PowerSystemsDesign,January2016.
O avtorjih
Erik Lamp je višji inženir za uporabo izdelkov v skupini za industrijo in več trgov pri podjetju Analog Devices, specializiran za izdelke za napajanje. Leta 2020 je na državni univerzi v San Joseju diplomiral iz elektrotehnike in od takrat dela v podjetju ADI.
Randyco Prasetyo je višji aplikativni inženir v podjetju Analog Devices. Diplomiral je na indonezijski krščanski univerzi Satya Wacana. Po desetletju dela v industriji satelitskih telekomunikacij se je z ženo in dvema otrokoma preselil v Združene države Amerike. Študij je nadaljeval na državni univerzi Cal Poly, hkrati pa je delal kot asistent diplomiranega učitelja in tehnik za smog. Dr. Taufik, eden od tamkajšnjih profesorjev, ga je seznanil z močnostno elektroniko. Leta 2011 se je pridružil podjetju Linear Technology (zdaj del podjetja ADI). Zdaj podpira ADI-jevo linijo izdelkov za povečanje in izolirane pretvornike moči.
https://www.analog.com
Spletni naslovi:
https://www.analog.com/en/products/adum4120.html
https://www.analog.com/en/products/ltc1983.html
https://www.analog.com/en/products/ltc3265.html
https://www.analog.com/en/resources/design-notes/generating-negative-output-voltage-from-positive-input-voltage.html
https://www.analog.com/en/products/max17291.html
https://www.analog.com/en/products/landing-pages/001/silent-switcher.html
https://www.analog.com/en/products/lt8624s.html
https://analog.com/en/resources/technical-articles/fast-transient-negative-voltage-rail.html
https://www.analog.com/en/products/ltc3863.html
https://www.analog.com/en/products/max17577.html
https://www.analog.com/en/products/max17580.html
https://www.analog.com/en/products/ltc3896.html
https://www.analog.com/en/products/lt8330.html
https://www.analog.com/en/products/lt3758.html
https://www.analog.com/en/products/lt8306.html
https://www.analog.com/en/products/ltm4655.html
https://www.analog.com/en/products/ltm8049.html
