DC/DC преобразователь с отрицательным выходным напряжением

Радиолоцман №3-4/2024, ст.40

Введение

Для питания электронного оборудования используется преимущественно положитель­ное напряжение. Иногда также используют шины отрицательного напряжения. По этой причине DC/DC-преобразователи с отрица­тельным выходным напряжением (или инвер­тирующие) встречаются не так часто, как их аналоги с положительным выходным напря­жением. Тем не менее, при питании высокока­чественных устройств в системах промыш­ленной автоматизации, автоматизации зданий и системах связи, таких как быстродействую­щие ЦАП, операционные усилители, ВЧ уси­лители мощности, аналоговые интерфейсы, драйверы затворов GaN полевых транзисто ров, драйверы затворов IGBT и т. д., необходи­ма шина отрицательного напряжения. Разра­ботчики сталкиваются с серьезной проблемой при поиске решения для работы с отрицатель­ным напряжением, поскольку для взаимодей­ствия с большинством существующих устройств требуются внешние схемы сдвига уровня. Помимо того, что эти схемы устарели, они неэффективны, сложны и громоздки. В этой статье подробно рассматриваются не­достатки устаревших решений, а затем иссле­дуется новое семейство высокоинтегрирован­ных устройств, которые лишены этих недос­татков и предлагают компактное, простое в использовании и высокоэффективное реше­ние для создания DC/DC преобразователя с отрицательным выходным напряжением.

Проблемы DC/DC преобразователя с отрицательным выходным напряжением

В типичной системе питания самый низкий потенциал напряжения является опорной землей (GND). Для DC/DC преобразователя с положительным выходным напряжением опорным уровнем служит просто GND (по­тенциал 0 В). Его входные/выходные сигналы естественным образом привязаны к этой зем­ле. Системный контроллер взаимодействует с DC/DC преобразователем просто и непос­редственно через эти контакты ввода/вы- вода. На Рисунке 1 показана такая система, в которой системный микроконтроллер управ­ляет выводом EN (разрешение) преобразо­вателя для его включения и выключения. Контроллер также следит за состоянием пре­образователя через его вывод PGOOD, чтобы узнать, находится ли выходное напря­жение преобразователя в пределах нормы, и можно ли подавать питание на всю систему. Для простоты здесь показан только один DC/DC преобразователь, но этот принцип применим и к системам с несколькими шина­ми положительного напряжения.

При использовании DC/DC преобразовате­ля с отрицательным выходным напряжением связь с системным контроллером становится нетривиальной. Линии ввода/вывода преоб­разователя привязаны к его самому низкому потенциалу, который в данном случае являет­ся отрицательным выходным напряжением, а не землей системы. При использовании шин отрицательного напряжения разработчикам необходимо добавить схемы сдвига уровня для связи системного микроконтроллера с DC/DC преобразователем. На Рисунке 2 пока­зана упрощенная схема системы с двумя цепями сдвига уровня.

Опять же, для простоты здесь показан только один DC/DC преобразователь с отри­цательным выходным напряжением. Но этот принцип применим и к системам с нескольки­ми шинами отрицательного напряжения, а также к системам, сочетающим положитель­ные и отрицательные шины. На каждую линию ввода/вывода каждого DC/DC преобразователя с отрицательным выходным напряжением требуется один преобразова­тель уровня.

Большие размеры схемы сдвига уровней создают трудности для разработчиков. Кроме того, DC/DC преобразователи с отрицатель­ным выходным напряжением, основанные на устаревших решениях, сложны и неэффек­тивны, что создает еще одну проблему.

Проблема 1: схема сдвига уровня

На Рисунке 3 показана типичная схема сдвига уровня. Ее назначение — сместить опорный уровень сигнала в соответствии с опорным уровнем системного микроконтрол­лера. Здесь она используется для передачи команды включения/выключения ON от сис­темного микроконтроллера на DC/DC преоб­разователь. Эта схема сдвига уровня состоит из девяти компонентов. Ее работа проста: когда системный контроллер подает сигнал ON высокого уровня, транзистор Q1 включа­ется и, в свою очередь, включает транзистор Q2, устанавливая высокий уровень на выво­де EN, чтобы разрешить работу DC/DC пре­образователя. При низком уровне сигнала ON транзисторы Q1 и Q2 закрыты, и на входе EN устанавливается низкий уровень, отклю­чающий преобразователь.

На Рисунке 4 представлен распространен­ный вариант схемы смещения уровня. Здесь он используется для передачи сигнала PGOOD от DC/DC преобразователя в систем­ный микроконтроллер. Когда DC/DC преоб­разователь выставляет высокий уровень на выход PGOOD (с открытым стоком), транзис­тор Q3 включается и, в свою очередь, вклю­чает транзистор Q4, в результате чего на входе RESET формируется сигнал высокого уровня, который выводит системный микро­контроллер из состояния сброса.

Для этих двух схем смещения уровня тре­буется 18 внешних компонентов, что ставит перед разработчиками сложную задачу адап­тации решения к постоянно ужесточающим­ся требованиям по сокращению объема оборудования и площади печатной платы.

Проблема 2: неэффективность

DC/DC преобразователи с отрицательным выходным напряжением на основе традици­онных решений имеют низкий КПД. Дополни­тельное тепло, выделяемое из-за низкого КПД, создает еще одну проблему для разра­ботчиков, которые теперь должны заботить­ся об удалении этого тепла из системы. На Рисунке 5 показана упрощенная схема такой системы.

Эта топология содержит два источника проблем неэффективности. Во-первых, в ней используется асинхронное переключение, при котором выходной выпрямительный диод D1 рассеивает большую мощность по сравнению с синхронным решением. Во- вторых, дополнительный силовой дроссель L1 и дополнительный конденсатор C1 также увеличивают рассеивание мощности. На Рисунке 6 показана зависимость КПД этого преобразователя от тока нагрузки, измерен­ная при напряжении +12 В на входе и -15 В выходе. Его пиковый КПД составляет всего 83%, а потери мощности около 460 мВт при выходном токе 150 мА.

Более компактное и эффективное решение для DC/DC преобразователя с отрицательным выходным напряжением

Микросхемы MAX17577 и MAX17578 были разработаны для удовлетворения растущих требований к размерам и тепловыделению устройств в системах автоматизации произ­водства, автоматизации зданий и связи. Для снижения стоимости и количества компонен­тов в устройства интегрированы цепи сдвига уровня, а также используется синхронное выпрямление для достижения максимально­го КПД. Это самые компактные и высокоэф­фективные в отрасли синхронные инвертиру­ющие понижающие DC/DC преобразователи. Типичная схема их применения показана на Рисунке 7.

Микросхемы MAX17577 и MAX17580 имеют широкий диапазон входных напряже­ний. Устройства работают с входными напря­жениями от 4.5 В до 60 В и могут отдавать в нагрузку ток до 300 мА. Благодаря встроен­ным схемам сдвига уровня за счет вдвое меньшего количества компонентов эти устро­йства экономят до 72% площади платы, потребляя при этом на 35% меньше энергии, чем ближайшие традиционные решения. На Рисунке 8 видно, что пиковый КПД преобра­зователя на основе микросхемы MAX17577, измеренный при входном напряжении 16 В и нагрузке -15 В/150 мА, составляет 88.5%. Это на 5.5% выше по сравнению с КПД тради­ционного решения, показанного на Рисун­ке 6. Почему КПД так важен? При КПД 88.5% устройство рассеивает всего 292 мВт, отдавая в нагрузку 2.25 Вт. 292 мВт по сравнению с 460 мВт для традиционного решения озна­чает, что количество тепла, которое нужно отводить от системы, уменьшено на 37%.

Рисунок 9 представляет улучшенную вер­сию схемы на Рисунке 2, в которой отсутству­ют цепи сдвига уровня. Системный микрокон­троллер может напрямую взаимодейство­вать с микросхемами MAX17579/MAX17580, несмотря на то, что они имеют разные земли.

Стоит также отметить, что благодаря широ­кому диапазону рабочих напряжений эти новые решения могут выдерживать колеба­ния напряжения в системе, обусловленные скачками напряжения питания, противо-ЭДС, звоном в кабеле и прочими факторами, что повышает надежность системы. Кроме того, в том же семействе существуют микросхемы MAX17577 и MAX17578, которые имеют схо­жие характеристики, но рассчитаны на выход­ной ток до 1 А. Эти устройства отлично подхо­дят для питания радиочастотных усилителей мощности, драйверов затворов GaN полевых транзисторов, драйверов затворов IGBT и т. д.

Заключение

Растущие требования к уменьшению раз­меров и снижению тепловыделения решений в устройствах промышленной автоматиза­ции, автоматизации зданий и систем связи создают серьезные проблемы разработчи­кам при поиске DC/DC преобразователей с отрицательным выходным напряжением, традиционные решения для которых в боль­шинстве случаев устарели, неэффективны, сложны и громоздки. Новое семейство высо­коинтегрированных устройств со встроенны­ми преобразователями уровня, синхронным выпрямлением и широким диапазоном вход­ных рабочих напряжений обеспечивает самые компактные, высокоэффективные и надежные решения для создания DC/DC пре­образователей с отрицательным выходным напряжением.