Динамическая регулировка отрицательных выходных напряжений

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2020

Pradeep Shenoy, Texas Instruments

EDN

Существуют многочисленные стандартные методы формирования отрицательных выходных напряжений, и есть хорошо известные способы динамической регулировки выходного напряжения. Недостающее звено, которое я надеюсь рассмотреть в этой статье, касается объединения обеих технологий простой схемой сдвига уровня.

Приложения, для которых требуются источники питания с отрицательными выходными напряжениями, включают контрольно-измерительное оборудование и системы, используемые в оборонной, автомобильной и медицинской сферах. Один из распространенных подходов к созданию шины отрицательного напряжения состоит в использовании обычного понижающего преобразователя, но работающего как инвертирующий понижающе-повышающий преобразователь [1-3]. Выводы земли микросхемы понижающего преобразователя подключены к узлу отрицательного напряжения (–V_OUT), а выход дросселя соединен с землей системы (0V). Пример такой конфигурации показан на Рисунке 1. Выходное напряжение устанавливается резистивным делителем, включаемым между выходом и выводом обратной связи (FB).

Рисунок 1.	Понижающий преобразователь, работающий как инвертирующий понижающе-повышающий преобразователь, выдает отрицательное выходное напряжение.

Ключевой проблемой получения отрицательного напряжения при использовании понижающего преобразователя является подключение к микросхеме контроллера входных и выходных сигналов, требующих смещения уровня. Вместо уровня земли (0V) выводы входов/выходов привязаны к отрицательному выходному напряжению (–V_OUT). В отчете о применении [4] инженеры Texas Instruments дали отличное описание нескольких схем, сдвигающих уровни сигналов разрешения (EN), «Питание в норме» (PGOOD) и синхронизации (SYNC) между областью системной земли (0V) и областью локальной земли микросхемы (–V_OUT). Этот отчет также содержит полезные советы, касающиеся того, как проверить схему, сняв логарифмические частотные характеристики (графики Боде) и оценив реакцию схемы на переходные процессы в нагрузке. В другом отчете о применении [5] также приведены примеры схем сдвига уровня.

Далее давайте рассмотрим динамическую регулировку напряжения. В документах [6, 7, 8] показаны несколько способов регулировки выходного напряжения для обычных понижающих или повышающих преобразователей. Один из популярных методов, показанный на Рисунке 2, основан на использовании резистора, подключенного между выводом FB и регулируемым источником напряжения (V_ADJ). Для динамической регулировки выходного напряжения преобразователя напряжение V_ADJ изменяется вверх или вниз. Когда V_ADJ выше, чем напряжение узла FB (которое равно опорному напряжению V_REF), ток будет идти через резистор R_ADJ в узел FB. В результате выходное напряжение снижается.

Рисунок 2.	Изменяя ток, втекающий/ вытекающий в узел FB, можно динамически регулировать выходное напряжение преобразователя.

И наоборот, если напряжение V_ADJ ниже напряжения узла FB, ток через резистор R_ADJ будет протекать в противоположном направлении, и выходное напряжение увеличится.

Можно сказать, что эффект, создаваемый  вытекающим (или втекающим) током узла FB, эквивалентен тому, как если бы уменьшалось сопротивление верхнего (R_TOP) или нижнего (R_BOT) резисторов. R_ADJ ведет себя как виртуальный резистор, параллельный верхнему или нижнему резистору.

Один из простых подходов к получению напряжения V_ADJ заключается в использовании сигнала широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который проходит через резистивно-емкостной фильтр нижних частот. Формировать сигнал ШИМ может микроконтроллер или другая цифровая схема. Управление коэффициентом заполнения сигнала ШИМ будет изменять напряжение V_ADJ. Использование этого подхода для динамической регулировки отрицательного выходного напряжения инвертирующего понижающе-повышающего преобразователя может быть сложной задачей, поскольку локальной землей микросхемы понижающего преобразователя является отрицательное выходное напряжение (–V_OUT) вместо земли системы (0V). Вероятно, понадобятся схемы сдвига уровня, подобные интерфейсу входов/выходов, о котором я упоминал ранее (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Использование привязанного к земле сигнала ШИМ для получения напряжения VADJ, требует схемы сдвига уровня.

Пример схемы сдвига уровня для этого приложения показан на Рисунке 4. Эта схема будет преобразовывать ШИМ-сигнал, привязанный к системной земле (0V), в ШИМ-сигнал, привязанный к земле микросхемы (–V_OUT). Источник ШИМ периодически включает и выключает P-канальный MOSFET. Когда P-канальный MOSFET включается, он поднимает потенциал затвора N-канального MOSFET выше его порогового напряжения, и N-канальный MOSFET открывается. Это, в свою очередь, смещает напряжение V_PWM вниз к –V_OUT. Когда P-канальный MOSFET закрывается, N-канальный MOSFET также закрывается, и резистор R_PU притягивает напряжение V_PWM к уровню V_BIAS. Напряжение V_BIAS можно получить с помощью прецизионного шунтового регулятора, такого как LM4040, выпускаемый Texas Instruments, который подключается к V_IN через резистор и к –V_OUT. Как видно из Рисунка 3, R_FLT и C_FLT образуют фильтр нижних частот, выделяющий напряжение V_ADJ из сигнала ШИМ. Ток через R_ADJ будет управлять выходным напряжением.

Рисунок 4.	В этом примере схемы сдвига уровня использованы дискретные компоненты, смещающие опорный уровень земли сигнала ШИМ к опорному уровню –VOUT микросхемы преобразователя.

Результаты моделирования на Рисунке 5 показывают способность такой схемы регулировать отрицательное выходное напряжение; при этом понижающий преобразователь работает как инвертирующий понижающе-повышающий. В течение первых 6 мс отрицательное выходное напряжение (показанное красным цветом и помеченное «NV_OUT») начинает плавно опускаться к –7 В. Синим цветом показано напряжение V_ADJ, которое отслеживает отрицательное выходное напряжение во время запуска. Схема ШИМ включается через 7 мс (входной сигнал ШИМ показан фиолетовым цветом) и генерирует ШИМ-сигнал со смещенным уровнем (V_PWM). Напряжение V_ADJ (синий цвет) увеличивается, и в ответ увеличивается выходное напряжение преобразователя. Примерно за 2 мс переходного процесса преобразователь достигает новой рабочей точки возле – 2 В. Моделирование показывает также, что ШИМ-регулирование изменяет выходное напряжение плавно и эффективно.

Рисунок 5.	Моделирование показывает, как может использоваться схема сдвига уровня для динамической регулировки отрицательного выходного напряжения.

Эта простая схема регулировки отрицательного выходного напряжения может использоваться со многими стандартными микросхемами преобразователей. В схеме сочетаются распространенные методы регулировки выходного напряжения и сдвига уровня сигналов. Представленная здесь схема сдвига уровня, позволяет источнику ШИМ с опорным уровнем системной земли изменять ток, подаваемый в узел FB преобразователя энергии. Основной сложностью при проектировании является управление этим током при изменении напряжения собственной земли микросхемы, которое имеет тот же потенциал, что и отрицательное выходное напряжение. Этот метод подходит для различных приложений, требующих динамической регулировки отрицательного выходного напряжения.

1. Datasheet Texas Instruments LM4040