Разработчикам источников питания доступен выбор из множества понижающих регуляторов положительного напряжения, которые также могут служить в качестве повышающих DC/DC преобразователей отрицательного напряжения. Некоторые понижающие регуляторы специально для этой цели имеют опорный источник отрицательного напряжения обратной связи, но количество таких микросхем несоизмеримо меньше, чем микросхем с положительным напряжением опорного источника. Можно воспользоваться этим большим разнообразием устройств, выбрав импульсный понижающий регулятор положительного напряжения, чтобы создать отличный повышающий преобразователь отрицательного напряжения. Все, что для этого нужно, – это несколько небольших изменений типовой конфигурации понижающего преобразователя. На Рисунке 1а показана схема повышающего преобразователя отрицательного напряжения с входным напряжением –5 В, выходным напряжением –9 В и током нагрузки 1.4 А, основанная на микросхеме импульсного понижающего преобразователя положительного напряжения LT1765EFE. Эта микросхема, содержащая внутренний 3-амперный силовой ключ, может работать с входными напряжениями от 3 В до 25 В, используя для обратной связи внутренний источник опорного напряжения 1.2 В. Частота переключения 1.25 МГц микросхемы LT1765EFE помогает снизить размеры дросселя и входного и выходного конденсаторов. На Рисунке 1б изображена типовая схема включения LT1765EFE в конфигурации понижающего DC/DC преобразователя положительного напряжения с входным напряжением 12 В, выходным напряжением 3.3 В и током нагрузки 2.2 А. На Рисунке 2 показана зависимость КПД от выходного тока для схемы Рисунок 1а.
 | ||
| Рисунок 1. | На основе микросхемы LT1765EFE можно сделать повышающий преобразователь отрицательного напряжения (а) или понижающий преобразователь положительного напряжения (б). | |
На Рисунке 1а вывод земли микросхемы соединен с шиной отрицательного выходного напряжения VOUT. При таком включении образуется конфигурация повышающего преобразователя отрицательного напряжения, обеспечивающая положительное напряжение на выводе обратной связи FB относительно земли микросхемы. В этой топологии максимально допустимое входное напряжение микросхемы должно быть больше величины выходного напряжения для повышающего преобразователя отрицательного напряжения. Кроме того, минимально допустимое входное напряжение микросхемы должно быть меньше величины входного напряжения, чтобы гарантировать запуск схемы при включении питания, поскольку в исходном состоянии на выходе может быть 0 В.
 | ||
| Рисунок 2. | Из графика зависимости КПД от выходного тока для схемы на Рисунок 1а видно, что пиковый КПД достигает 85%, а типовой превышает 80%. | |
Обратите внимание, что максимальный выходной ток повышающего преобразователя отрицательного напряжения на Рисунке 1а намного ниже, чем максимальный выходной ток понижающего преобразователя положительного напряжения на Рисунке 1б, даже несмотря на то, что и в том и в другом используется одна и та же микросхема импульсного стабилизатора. В обоих случаях максимальный ток, который может коммутировать микросхема понижающего преобразователя, составляет 3 А. Дроссель должен выбираться в соответствии с максимальным выходным током, пиковым коммутируемым током и требуемым уровнем пульсаций тока. Сначала рассчитывают необходимый коэффициент заполнения (DC), а затем либо ток пульсаций IPP на основе индуктивности L выбранного дросселя, либо индуктивность дросселя на основе желаемых пульсаций тока. Обычно рекомендуется выбирать индуктивность дросселя такой, чтобы размах пульсаций тока составлял примерно 40% от входного тока. Эти расчеты являются приблизительными и не учитывают влияния потерь мощности в коммутаторе, дросселе и диоде Шоттки. Расчет выполняется в следующем порядке:
где
η – общий КПД,
IIN – входной ток преобразователя,
IOUT – выходной ток преобразователя.
где fSW – частота переключения, и
В этой конфигурации максимальный ток дросселя ILMAX равен пиковому коммутируемому току. Максимальный ток ISWMAX, переключаемый микросхемой, равен 3 А, поэтому и максимальный ток дросселя не должен превышать 3 А. Для поддерживания коммутируемого тока на уровне ниже максимального может потребоваться дроссель с большей индуктивностью, чтобы пульсации тока оставались достаточно низкими.
Максимальный выходной ток IOUTMAX – это аппроксимация, полученная из максимально допустимого входного тока с учетом тока пульсаций:
Как и в любом типичном повышающем преобразователе, пульсации тока входного конденсатора в топологии повышения отрицательного напряжения малы, а через выходной конденсатор протекает большой прерывистый ток. Поэтому размеры выходного конденсатора обычно больше, чем входного, поскольку ему приходится работать при более высоких среднеквадратичных значениях пульсирующих токов.
и
где
ICINRMS – среднеквадратичный ток пульсаций входного конденсатора,
ICOUTRMS – среднеквадратичный ток пульсаций выходного конденсатора.
ESR выходного конденсатора оказывает непосредственное влияние на пульсации выходного напряжения DC/DC преобразователя. Выбор более высокочастотных импульсных регуляторов снижает требования к допустимым пульсациям тока конденсатора. Но в любом случае, чем меньше ESR выходного конденсатора, например, керамического, тем ниже будут выходные пульсации повышающего преобразователя отрицательного напряжения:
где
ΔVOUTPP – пиковые пульсации выходного напряжения,
ESRCOUT – ESR выходного конденсатора.
Жирными линиями на Рисунках 1а и 1б показаны пути с высокой скоростью изменения коммутируемого тока (di/dt). Размеры этой петли должны быть сделаны минимально возможными, чтобы минимизировать ее индуктивность. Прерывистые токи в этом тракте создают большие значения di/dt. Любая индуктивность печатного проводника в этом контуре приводит к выбросам напряжения, которые могут сделать схему зашумленной или неуправляемой. По этой причине разводка схемы может иметь такое же значение, как и выбор компонентов. Обратите внимание, что разводка схемы повышающего регулятора отрицательного напряжения отличается от разводки схемы понижающего регулятора положительного напряжения, хотя в них используется одна и та же микросхема.