[RAQ] Generowanie bardzo niskich napięć za pomocą standardowych stabilizatorów

Pytanie:

Czy istnieje możliwość generowania niskich napięć stałych rzędu kilkuset miliwoltów?

Odpowiedź:

Tak. Wystarczy do rezystora sprzężenia zwrotnego przetwornika DC/DC dołączyć dodatkowe napięcie dodatnie.

Na przestrzeni ostatnich kilku lat napięcia zasilające podzespoły elektroniczne systematycznie zmniejszają się. Powodem tego jest malejący rozmiar struktur układów cyfrowych, takich jak mikrokontrolery, procesory, procesory DSP i inne. Istnieją również zastosowania w dziedzinie miernictwa, które wymagają stosunkowo niskiego zasilania.

Przez wiele lat napięcie sprzężenia zwrotnego stabilizatorów liniowych i konwerterów impulsowych wynosiło ok. 1,2 V. Napięcie to było generowane na podstawie przerwy zabronionej krzemu w układzie scalonym przetwornika DC/DC. Określało ono najniższe napięcie, które można ustawić za pomocą zewnętrznego dzielnika rezystancyjnego. Obecnie większość nowoczesnych układów scalonych stabilizatorów napięcia może generować napięcie wyjściowe rzędu 0,8 V, 0,6 V lub nawet 0,5 V. Wewnętrzne napięcie odniesienia jest zaprojektowane w taki sposób, aby możliwe było uzyskanie niższych napięć. Rysunek 1 przedstawia konwerter impulsowy LTC3822, który generuje napięcie odniesienia, a więc i pętli sprzężenia zwrotnego, o wartości 0,6 V.

Rysunek 1. Przetwornik DC/DC LTC3822 do generowania napięcia wyjściowego o minimalnej wartości 0,6 V

Modyfikacja układu w celu uzyskania niższych napięć

Jeżeli jednak wymagane napięcie zasilania jest mniejsze niż 0,6 V, obwód przedstawiony na rysunku 1 należy dodatkowo zmodyfikować.

Pewna sztuczka może sprawić, że stabilizator liniowy lub impulsowy będzie generował niższe napięcia od napięcia sprzężenia zwrotnego. Można to osiągnąć za pomocą takich układów jak ten pokazany na rysunku 2. Wymaga to dodatkowego dodatniego zasilania, które jest podłączone do dzielnika rezystancyjnego regulującego napięcie wyjściowe. Napięcie to może pochodzić ze stabilizatora LDO (low dropout) lub ze źródła napięcia odniesienia. Dzielnik rezystancyjny tworzy w ten sposób dzielnik napięcia, w którym prąd IFB płynie w kierunku przeciwnym do tradycyjnego układu z rysunku 1. Na rysunku 2 prąd płynie od zewnętrznego napięcia odniesienia przez dzielnik rezystancyjny do wyjścia układu.

Równanie 1 pokazuje zależność pomiędzy napięciem sprzężenia zwrotnego układu scalonego (VFB), pożądanym napięciem wyjściowym (VOUT), dodatkowym dodatnim napięciem polaryzacji (VOFFSET) i rezystancjami R1 i R2 w dzielniku.

Rekomendowane wartości dzielnika oporowego wynoszą od 100 kΩ do 500 kΩ dla sumy R1 i R2. Dzięki temu prąd polaryzacji jest na tyle niski, że nie wpływa na sprawność energetyczną układu. Jednocześnie jest wystarczająco wysoki, aby zapobiec nadmiernemu wpływowi szumów we wrażliwym obwodzie sprzężenia zwrotnego.

Rysunek 2. Obwód z rysunku 1 zmodyfikowany w celu generowania napięcia wyjściowego poniżej 0,6 V

Uwagi do układu

Pomysł ten sprawdza się w przypadku generowania napięć poniżej określonego minimalnego napięcia konwertera impulsowego lub stabilizatora liniowego. Należy jednak wziąć pod uwagę kilka rzeczy. Dodatkowe napięcie odniesienia powinno włączyć się przed włączeniem konwertera napięcia stałego. Jeśli napięcie pomocnicze ma wartość 0 V lub wysoką impedancję, przetwornica DC/DC może generować zbyt wysokie napięcie i w konsekwencji uszkodzić obwód obciążenia.

Gdy konwerter impulsowy nie jest jeszcze włączony, ale napięcie pomocnicze zostało już przyłożone, to w najgorszym wypadku prąd IFB przez dzielnik rezystancyjny może ładować kondensator wyjściowy do napięć wyższych niż napięcie zadane. Może się to zdarzyć, gdy obciążenie ma bardzo wysoką impedancję. Aby tego uniknąć, konieczne może być dodanie minimalnego obciążenia.

Dokładność napięcia polaryzacji dzielnika rezystancyjnego (1 V na rysunku 2) ma bezpośredni wpływ na dokładność generowanego napięcia zasilania. Z tego powodu należy stosować tylko dobrze odfiltrowane napięcie z niskimi tętnieniami.

Dodatkowo, nie każdy konwerter napięcia nadaje się do tego typu operacji. Na przykład zakres pomiarowy wzmacniacza do pomiaru prądu w przetworniku DC/DC może zapewniać pełen zakres pomiarowy tylko przy wyższych napięciach. Należy również zauważyć, że wytwarzanie bardzo niskich napięć przy dość wysokich napięciach wejściowych wymaga małego współczynnika wypełnienia sygnału PWM. W tym przypadku może pomóc wybranie układu z możliwie krótkim minimalnym czasem włączenia i praca przy niskiej częstotliwości przełączania.

Symulacja

Rysunek 3. Narzędzie do symulacji, takie jak LTspice firmy Analog Devices może zostać użyte do wstępnego testowania obwodu

W przypadku pracy stabilizatora liniowego lub konwertera impulsowego przy niższym napięciu wyjściowym niż zamierzone przez producenta, przydatna okazuje się wstępna analiza układu. Można jej dokonać za pomocą narzędzia symulacyjnego, takiego jak LTspice firmy Analog Devices. Rysunek 3 przedstawia obwód LTC3822 z dodatkowym źródłem napięcia polaryzującym obwód sprzężenia zwrotnego. Napięcie wyjściowe układu wynosi 200 mV. Zgodnie z arkuszem danych producenta, LTC3822 jest odpowiedni do generowania napięć wyjściowych o minimalnej wartości 0,6 V. W układzie napięcie pomocnicze (V2 na rysunku 3) może być realizowane za pomocą stabilizatora LDO lub źródła napięcia odniesienia. Dzięki opisanemu trikowi i dokładnemu przetestowaniu obwodu, można wygenerować napięcia stałe o jeszcze niższych wartościach.

O autorze