Vishay Siliconix rugalmas szinkron buck szabályozók FET-el; Tápfeszültség-átalakító; Electronicsnet

2016. december 13., 11:12 | Owain Bryant, a Vishay Siliconix terepi alkalmazásmérnöki vezetője

rugalmas

2. ábra - Egy negatív kimeneti feszültségű bakszabályozó topológiája

Negatív üzemi feszültséget igénylő alkalmazások esetén, ahol azonban csak a rendszer pozitív üzemi feszültsége áll rendelkezésre, szinkron bakszabályozók használata ajánlott.

Egyes alkalmazások, például a bipoláris kimenettel rendelkező érzékelők vagy az audio erősítők, mind pozitív, mind negatív üzemi feszültséget igényelnek. A mérési áramkörök egy másik tipikus példája az ilyen alkalmazásoknak. Az elektromos jeleket gyakran 0 voltig kell mérni. Ez nem lehetséges olyan üzemi erősítővel, amelyet csak pozitív feszültség táplál. Ha a műveleti erősítőt pozitív és negatív feszültség táplálja, akkor a jel a teljes amplitúdóján mérhető.

Negatív feszültség előállításának legegyszerűbb módja egy második transzformátor tekercsének használata az áramellátási áramkörben. Ez azonban nem lehetséges olyan rendszerrel, amelyben nincs hozzáférés a tápegységben lévő transzformátorhoz. Például egyes mérőrendszereket egy külső tápegységen történő működésre terveztek, amely 12V DC vagy 24V DC unipoláris feszültséget szolgáltat az alaplapnak. Ez helyet és rendszerköltségeket takarít meg. Ilyen rendszerekben a negatív feszültséget a meglévő pozitív feszültségből kell generálni. Ez a cikk elmagyarázza, hogyan lehet ezt szinkron buck konverterrel végrehajtani. A modern szinkron bakszabályozó integrált FET-rel ideálisan alkalmas erre a célra, mivel energiatakarékos és minimálisan külső alkatrészeket igényel.

Negatív kimeneti feszültség létrehozása

Amikor a pozitív bemeneti feszültséget negatív kimeneti feszültséggé kell átalakítani, a tervezők leginkább a buck-boost (lépcső/lépcső) topológiát vagy néha a SEPIC topológiát részesítik előnyben; Mindkét topológiával jó fokú hatékonyság érhető el, amely messze meghaladja a lineáris vezérlőét. A javasolt áramkör azt mutatja, hogy ugyanaz az eredmény elérhető egy lépcsőzetes szabályozóval is. A szinkron bakszabályozó átalakítható negatív kimeneti feszültségű lengésszabályozóvá a föld referenciapontjának egyszerű megváltoztatásával.

Ez az áramkör az SiP12116 szinkron buck szabályozón alapul. Az itt használt COT topológia lehetővé teszi egy nagyon egyszerű tápegység kifejlesztését, amely nem igényel kompenzációs intézkedéseket. A lépcsőzetes szabályozó a két integrált MOSFET közül az "alsó" elemet használja az aktuális élszabályozáshoz. A külső alkatrészekre csak egy kimeneti LC szűrőre, a bemeneten leválasztott kondenzátorokra és a bootstrap kondenzátorra van szükség.

A szabályozás ugyanúgy működik, mint egy közönséges bakszabályozóval; a fő különbség az, hogy a kimeneti áram ellentétes irányban áramlik, mert a Vout csatlakozás most földpotenciálon van, és a kimeneti feszültséget az eredeti földcsatlakozás veszi. Ez azt jelenti, hogy a kimeneti feszültség negatív.

A 3. ábra a MOSFET meghajtó feszültségének időzítését mutatja. Nem különbözik egy közönséges bakszabályozóétól. Az LX feszültség az ábrán is látható. Az amplitúdó -3,3 V és +12 V között mozog; Legtöbbször (amíg az „alsó” MOSFET vezet) a feszültség -3,3 V. Az alábbi görbe a -3,3 V kimeneti feszültséget mutatja. A következő görbe az induktivitáson keresztüli áramot mutatja. Mivel a szimulációban nincs terhelés csatlakoztatva, az átlagérték 0 A. A következő két görbe a legfontosabb paramétereket mutatja, nevezetesen a két MOSFET, az IM1 és az IM2 lefolyási áramát. Ne feledje, hogy ezek az áramok 0 V-ra vonatkoznak. A "felső" MOSFET-en (IM1) átáramló áram + V és 0 V között folyik. Mivel pluszról mínuszra áramlik, csökkenő időgörbét mutat.

Amikor az M1 blokkolja és az M2 vezet, az áram –V és 0 V között folyik. Az IM1 ezután hirtelen –1 A-ról 0 A-ra emelkedik, míg az IM2 –1 A-ra csökken a bekapcsolási fázis alatt bekövetkező hirtelen 1 A-ra vonatkozik a 0 V referenciaponttal). A D munkaciklust tekintve az áramkör megegyezik egy közönséges bak szabályozóval. Az induktív feszültsége azonban Vin + | Vout |.

Az összes többi számítás megegyezik egy közönséges buck szabályozóval.

Ennek az áramkörnek a legfontosabb specifikációi a következők: Vin = 12 V, Vout = -3,3 V, Fsw = 600 kHz, Iout = 3 A, Vripple = 150 mV és Vin_ripple = 100 mV.

Egy szinkron bakszabályozó az áramot az "alsó" MOSFET-en keresztül méri. Az érzékjelnek olyan nagynak kell lennie, hogy egyértelműen kiemelkedjen a rendszer zajától. Ezt a hullámárammal, a terhelés 40% -ának megfelelő nagy hullámárammal lehet elérni. Ez lehetővé teszi egy kisebb induktivitás alkalmazását is. Ezen a ponton szeretném megemlíteni, hogy a külső komponensek méretezésére szolgáló egyenletek a COT topológiának köszönhetően viszonylag egyszerűek, és csak néhány külső komponensre van szükség, mivel az "alsó" MOSFET-en keresztüli áramot belsőleg határozzák meg.

Az áramköri ábra a megváltozott referenciapontokat mutatja: Vout 0 V-ra változik és 0 V – Vout-ra változik. Megfelelően méretezett leválasztó kondenzátort kell csatlakoztatni a bemenet és a 0 V, valamint a bemenet és a Vout között.

Ezen információk birtokában a fejlesztők gyorsan és egyszerűen kifejleszthetik az alkalmazásukhoz szabott áramkört. A negatív kimeneti feszültségtartomány nagysága a kiválasztott szinkron bakszabályozó IC-től függ. Itt van egy példa: Az SiP12116 maximális üzemi feszültsége 16 V, és legfeljebb –4 V negatív kimeneti feszültséget képes leadni 12 V bemeneti feszültséggel. 5V bemeneti feszültség mellett ugyanaz az IC akár -11V negatív kimeneti feszültséget is képes leadni.

A fent leírt példában 12 V bemeneti feszültséget 90% feletti hatékonysággal alakítunk át -3,3 V negatív kimeneti feszültséggé. A példa a megoldás hatékonyságát és eleganciáját mutatja be negatív üzemi feszültség létrehozására.