Sztuka generacji ujemnych napięć

Ujemne napięcia bywają potrzebne w wielu różnych zastosowaniach. Specyfikacja tych napięć może różnić się znacząco. Niniejszy artykuł przedstawia przykładowe metody wytwarzania ujemnych napięć.

Czym jest ujemne napięcie?

Większość systemów wymaga wielu szyn zasilania z różnymi napięciami. Napięcia poniżej masy systemu (lub zera) są napięciami ujemnymi. Takie napięcia są potrzebne w wielu różnych zastosowaniach. W zasilaczach niektóre przetwornice nie mogą zostać poprawnie włączone, jeśli do bramki jest przyłożone napięcie masy. Napięcie ujemne kilka woltów poniżej masy pozwala rozwiązać ten problem. Z kolei ścieżka pomiarowa przyrządu pomiarowego nie może bezpośrednio zmierzyć rzeczywistego sygnału w okolicach zera, jeśli zasilacze operacyjne są zasilane napięciem dodatnim lub zerowym. Podłączenie takiego wzmacniacza operacyjnego do dodatniej i ujemnej szyny zasilania pozwala zmierzyć sygnał w całym zakresie do zera woltów. Schemat 1. przedstawia 16-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) generujący sygnał bipolarny z użyciem wzmacniacza operacyjnego AD8638. Do zasilenia takiego systemu potrzebne jest niskoszumne źródło napięcia ujemnego.

figure 1_600

Schemat 1. Źródło ujemnego napięcia zasilania jest potrzebne, aby użyć przetwornika DAC generującego sygnały bipolarne

Generacja ujemnego napięcia przy użyciu transformatora

Jednym z najprostszych sposobów otrzymania ujemnego napięcia jest dodanie kolejnego uzwojenia do transformatora istniejącego już w zasilaczu. Poprzez sprzężenie transformatora energia zgromadzona w rdzeniu transformatora (topologia flyback) lub prąd płynący przez uzwojenie pierwotne (topologia przepustowa/forward) jest przekazywana do uzwojenia wtórnego. Ten prąd może zostać przesunięty względem innego napięcia referencyjnego. Zmiana kierunku uzwojenia wtórnego, kierunku diody oraz dołączenie drugiej masy w systemie spowoduje powstanie ujemnego napięcia. Schemat 2. pokazuje topologię flyback  z trzema uzwojeniami wtórnymi. Jedno z nich wytwarza ujemne napięcie zasilania.

Takie rozwiązania mają sens, jeśli topologia danego systemu zawiera już transformator. Jednak dodawanie transformatora tylko w celu wytworzenia ujemnego napięcia zazwyczaj nie jest opłacalne. Jeśli natomiast dodatkowe uzwojenie jest dodane do istniejącego transformatora, uzyskiwane napięcie nie jest regulowane przez pętlę sprzężenia zwrotnego i pracuje niezależnie. Jego zachowanie nie jest zatem ściśle określone i podąża za obciążeniem pierwszego uzwojenia wtórnego, które zazwyczaj zamyka pętlę sprzężenia zwrotnego układu flyback. Z tego powodu zazwyczaj wymagana jest dodatkowa regulacja szyny ujemnego napięcia za pomocą liniowego regulatora pracującego z ujemnymi napięciami.

figure 2_600

Schemat 2. Generacja ujemnego napięcia przy użyciu dodatkowego uzwojenia w istniejącej topologii typu flyback

Generacja ujemnego napięcia przy użyciu pompy ładunkowej

Pompy ładunkowe składają się z kondensatorów i przełączników. Ładunek jest gromadzony na kondensatorze, a następnie poprzez sprytne przełączanie może być dodany do różnych szyn w celu podwojenia napięcia. Ta sama technika może również służyć do zamiany dodatnich napięć na napięcia ujemne. Ograniczeniem jest jednak maksymalny prąd wyjściowy, typowo 100 mA. Ponadto istniejące pompy ładunkowe potrafią być dość głośne, zwłaszcza jeśli prąd obciążenia przekracza kilkadziesiąt miliamperów.

figure 3_400

Schemat 3. Zasada działania pompy ładunkowej zamieniającej napięcie dodatnie na ujemne

Generacja ujemnego napięcia w topologii Ćuka

Pewne dość niezwykłe rozwiązanie zostało nazwane imieniem Slobodana Ćuka, który zaprezentował je jako pierwszy. W tej topologii ujemne napięcie wyjściowe jest generowane z dodatniego napięcia wejściowego. Nie jest potrzebny transformator, za to występują dwie cewki – choć mogą to być dwa uzwojenia na jednym rdzeniu. Potrzebny jest również kondensator sprzęgający na linii zasilania. Schemat 4. przedstawia topologię Ćuka. Do realizacji tego obwodu potrzebny jest zasilacz impulsowy lub kontroler z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Jedynie nieliczne zintegrowane przetwornice prądu stałego oferują taki pin dla ujemnego sprzężenia zwrotnego. Z pewnością można stosować urządzenia z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, o ile na ścieżce sprzężenia zwrotnego znajdzie się dyskretny inwerter napięcia. Jest to dodatkowy wzmacniacz operacyjny, który nie tylko zwiększa koszt systemu, ale też wnosi liczne elementy do czułej linii sprzężenia zwrotnego, które często powodują problemy z dokładnością napięcia wyjściowego i mogą łatwo sprzęgać szum systemu w pętli sprzężenia zwrotnego, co przekłada się na szum w napięciu wyjściowym.

Co do zasady, topologia Ćuka zapewnia bardzo niski poziom szumów. Wynika to z istnienia cewek zarówno po stronie wejściowej, jak i wyjściowej. Prąd płynący przez cewkę nie może zmienić się natychmiastowo, zatem prądy wejściowe u wyjściowe są bardzo stabilne – w przeciwieństwie do innych topologii zasilaczy impulsowych.

figure 4_600

Schemat 4. Topologia Ćuka wytwarza ujemne napięcie z dodatniego napięcia wejściowego

Generacja ujemnego napięcia za pomocą odwracającej topologii buck-boost

Odwracająca topologia buck-boost jest jedną z trzech podstawowych topologii zasilaczy impulsowych. Wymaga tylko jednej cewki, dwóch kluczy oraz kondensatora na wejściu i na wyjściu. Pozostałe topologie również wykorzystują te elementy – jest to przetwornica obniżająca napięcie (buck) i podwyższająca napięcie (boost). Przetwornica obniżająca napięcie na cewkę na wyjściu, podwyższająca napięcie – na wejściu. Natomiast topologia odwracająca ma ją w środku – włączoną między klucz a masę, co widać na schemacie 5.

Układ zasilacza impulsowego, który można wykorzystać w odwracającej topologii może być dowolnym modelem przeznaczonym dla topologii obniżającej napięcie. Na rynku dostępnych jest wiele produktów tego typu. Jednak wykorzystanie regulatora dla topologii buck w odwracającej topologii buck-boost sprawie pewną trudność. Tenże regulator w odwracającej topologii będzie generował ujemne napięcie wyjściowe, które jest równe napięciu jego masy. Zatem napięcie wyjściowe regulatora buck będzie równe napięciu masy systemu. Zazwyczaj nie jest to problemem, jednak w efekcie wszystkie dodatkowe wyprowadzenia regulatora będą odnosiły się do masy regulatora, a nie masy systemu. Ponieważ masa regulatora znajdzie się w zakresie ujemnych napięć, po uzyskaniu stabilnego stanu pracy niektóre dodatkowe piny – wejście synchronizujące, enable, wejście śledzące i inne zostaną przesunięte. Wówczas sygnały wysyłane przez system do tych pinów są określone względem masy regulatora, a nie masy systemu.

Zaletą odwróconego zasilacza buck-boost jest wykorzystanie małej liczby stopni mocy, dzięki czemu sprawność jest całkiem wysoka. Można też wybierać spośród wielu układów kontrolera.

Wadą tego rozwiązania jest fakt, iż odwracająca topologia nie zawiera cewki po stronie wejściowej ani wyjściowej. Powstają nieciągłe prądy po obu stronach obwodu. W systemach wrażliwych na szum może być potrzebna dodatkowa filtracja.

Nazwa „topologia odwracająca buck-boost” wzięła się stąd, iż wartość napięcia wejściowego może być wyższa lub niższa od modułu ujemnego napięcia wyjściowego. Przykładowo -12 V można wytworzyć z dodatniej szyny 5 V lub 24 V. Ta cecha jest przydatna w niektórych zastosowaniach, także niewymagających ujemnych napięć. Na przykład szereg diod LED może być wysterowany z użyciem odwracającej topologii buck-boost z napięciem wejściowym wyższym lub niższym od łącznego spadku napięcia na przewodzących diodach. Ujemną polaryzację otrzymanego napięcia wejściowego można odwrócić, zamieniając końcami szereg diod LED.

figure 5_600

Schemat 5. Odwracająca topologia buck-boost generuje ujemne napięcie z dodatniego napięcia wejściowego

Filtracja ujemnych napięć przy pomocy regulatora liniowego

Choć liniowe regulatory napięcia, na przykład LDO, nie mogą generować ujemnych napięć z napięć dodatnich, mogą obniżyć wartość napięcia ujemnego do niższej wartości ujemnej. Mogą one posłużyć do regulacji nieregulowanego napięcia powstałego na dodatkowym uzwojeniu transformatora w topologii flyback, mogą też filtrować napięcia na istniejących szynach napięcia ujemnego, aby uzyskać bardzo czyste ujemne napięcie zasilana w systemach wrażliwych na szumy.

Prosty liniowy stabilizator napięcia ujemnego można zbudować z tranzystora, diody Zenera i kilku rezystorów. Natomiast aby uzyskać niski spadek napięcia (LDO), niski poziom szumów oraz wysoki współczynniku tłumienia zasilania (PSRR) lub szybką pętlę regulacji zapewniającą dużą dokładność poziomu DC, potrzebny jest zintegrowany zasilacz LDO dla napięć ujemnych. Niestety stabilizatory liniowe przeznaczone do pracy z dodatnimi napięciami nie będą działać z ujemnymi napięciami zasilania. Stabilizatory napięć ujemnych istnieją na rynku, ale występują nielicznie. Spośród tych dostępnych wiele zostało wprowadzonych na rynek dawno temu i są wykonane w starym procesie technologicznym, zatem nie mają rewelacyjnych parametrów. Schemat 6. przedstawia układ ADP2441 w odwracającej topologii buck-boost. Wyjście jest filtrowane przez współczesny stabilizator LDO ADP7182 firmy Analog Devices. Układ ten obsługuje napięcia wejściowe do -28 V i zapewnia maksymalny prąd wyjściowy do 200 mA. Tłumienie zasilania to -66 dB na częstotliwości 10 kHz, co pozwala na skuteczne tłumienie tętnień w zastosowaniach wymagających niskich szumów.

figure 6_600

Schemat 6. Stabilizator liniowy napięć ujemnych na wyjściu układu w odwracającej topologii buck-boost

Przykładowy obwód wykorzystujący dedykowaną odwracającą przetwornicę buck-boost

Rozwiązania przedstawione powyżej są stosowane od wielu lat. Niedawno natomiast pojawiły się nowe projekty scalonych kontrolerów dla zasilaczy impulsowych zoptymalizowanych pod kątem wytwarzania ujemnych napięć. Układ ADP5073 jest specjalnym układem kluczującym przeznaczonym dla odwracającej topologii buck-boost. Zawiera układ przesuwnika poziomu, zatem pin enable jest odniesiony do masy układu, jak i masy całego systemu. Znacząco upraszcza to realizację sterowania w takim systemie. Układ ma również funkcję redukcji slew-rate, która pozwala ograniczyć zakłócenia powstałe wskutek kluczowania zasilacza impulsowego.

figure 7_600

Schemat 7. Dedykowany kontroler dla odwracającej topologii buck-boost

Wejście slew-rate może regulować czas przełączania zasilacza impulsowego. Szybsze przełączanie zapewnia mniejsze straty mocy, wolniejsze przełączanie zmniejsza poziom generowanych zakłóceń. Do wybory są trzy ustawienia, które pozwalają na wybór najmniejszego poziomu szumów lub najwyższej sprawności na późnym etapie projektowania. Układ ADP5073 może dostarczyć maksymalny prąd 1,2 A. Z kolei maksymalne napięcie wyjściowe zależy od stosunku napięcia wejściowego do wyjściowego.

Schemat 7. przedstawia przykładowy projekt zasilacza napięcia ujemnego typu buck-boost opartego na układzie ADP5073, który zapewnia niski poziom zakłóceń dzięki funkcji ograniczenia slew rate.

O autorze

Frederik Dostal - Analog Devices

Studiował mikroelektronikę na Uniwersytecie w Erlangen (Niemcy). Pracę zawodową rozpoczął w branży zarządzania energią w 2001. Pracował jako inżynier aplikacyjny systemów zasilających, następnie 4 lata w Phoenix, w stanie Arizona, specjalizując się w systemach zasilania typu switch mode. Od roku 2009 pracuje w monachijskim oddziale Analog Devices jako Power Management Segment Regional Marketing Engineer na teren Europy. Jednym z jego głównych zadań jest prowadzenie seminariów technicznych z zakresu projektowania systemów zasilania.