Pytanie:

Dlaczego w układach buck-boost wymagane jest przesunięcie poziomów napięć?

Odpowiedź:

Przetwornice odwracające napięcie typu buck-boost to układy powszechnie używane do generowania ujemnych napięć zasilających. W wielu przypadkach przetwornica musi komunikować się z resztą systemu (np. z mikrokontrolerem), co oznacza, że potrzebujemy cyfrowych sygnałów ze zdefiniowanymi poziomami logicznymi. Te poziomy są określone w stosunku do masy systemu, ale pin GND układu konwertera jest podłączony do ujemnego napięcia wyjściowego przetwornicy. W takich przypadkach nie jesteśmy w stanie komunikować się bezpośrednio i musimy wykorzystać układ przesuwający poziomy napięć logicznych.

Co należy wziąć pod uwagę podczas projektowania konwertera poziomów napięć

Topologia buck-boost jest jedną z podstawowych topologii przetwornic impulsowych. Wymaga tylko jednej cewki indukcyjnej, dwóch kondensatorów, a także dwóch tranzystorów MOSFET pracujących jako klucze. Rysunek 1 przedstawia schemat topologii ze wszystkimi niezbędnymi komponentami.

Rysunek 1. Topologia przetwornika typu buck-boost korzystającego z przetwornika obniżającego typu buck

Rysunek 2 przedstawia obwód buck-boost z układem przetwornicy buck ADP2386. Jeśli przetwornica używana jest w układzie odwracającym, to masa układu scalonego jest połączona z ujemnym biegunem napięcia wyjściowego. Z kolei węzeł dodatniego bieguna jest podłączony do masy całego systemu. Masa odniesienia układu scalonego (GND na rysunku 2) nie więc jest połączona z masą całego systemu. W rezultacie sygnały na wyprowadzeniach układu są odnoszone do wygenerowanego napięcia ujemnego. Oznacza to, że wszelka cyfrowa komunikacja z kontrolerem wymaga przesunięcia poziomów logicznych sygnałów. Zazwyczaj przetwornica ma kilka sygnałów sterujących, takich jak SYNC, PGOOD, TRACKING, MODE, EN, UVLO oraz RESET. Rysunek 2 przedstawia możliwy obwód przesunięcia poziomu dla jednego sygnału z dwoma tranzystorami bipolarnymi i siedmioma rezystorami (w kolorze niebieskim). Taki układ jak ten wymaga pewnej przestrzeni i wprowadza dodatkową złożoność oraz koszty. Przesunięcie poziomu musi być zrealizowane osobno dla wszystkich wcześniej wspomnianych sygnałów. Jest to szczególnie skomplikowane, gdy układ scalony przetwornicy wykorzystuje magistralę cyfrową, taką jak PMBus. Wtedy całe połączenie musi być obsługiwane za pomocą przesunięcia poziomu lub izolacji galwanicznej.

Rysunek 2. Zewnętrzny konwerter poziomu do zasilania układu scalonego z zewnętrznym zegarem do synchronizacji

Jednym ze sposobów na uniknięcie zewnętrznych obwodów jest użycie przetwornicy zaprojektowanej specjalnie do układów odwracających napięcie. Analog Devices oferuje rodzinę przetwornic impulsowych, które są wariacjami układów typu buck. Zostały one zaprojektowane w celu ułatwienia komunikacji między przetwornicą, a resztą systemu. W takim przypadku nie trzeba stosować zewnętrznych układów przesunięcia poziomu.

Rysunek 3. MAX17579 zaprojektowany jako odwracający regulator typu buck-boost z już zintegrowanym przesuwaniem poziomów

Rysunek 3 przedstawia układ MAX17579 – układ scalony przetwornicy impulsowej, który z napięcia dodatniego generuje napięcie ujemne. Jak widać na rysunku 3, obwód jest znacznie prostszy niż ten z rysunku 2.

Narzędzia do symulacji takie jak LTspice® lub środowisko EE-SIM^® mogą pozwolić lepiej zrozumieć zachowanie układów oraz różnic w topologiach. Układy przesuwające poziom napięcia można zaprojektować i zoptymalizować za pomocą wymienionych narzędzi. Układy scalone, takie jak MAX17579, można również łatwo symulować za pomocą narzędzia projektowego EE-SIM design tool.