Regulatoare sincronizate flexibile Buck de la Vishay Siliconix cu FET; Convertor de tensiune; Electronicsnet

13 decembrie 2016, 11:12 | | De Owain Bryant, Manager de aplicații pe teren la Vishay Siliconix

Figura 2 - Topologia unui regulator buck cu tensiune de ieșire negativă

Pentru aplicațiile care necesită o tensiune de funcționare negativă, dar acolo unde este disponibilă doar o tensiune de funcționare pozitivă a sistemului, se recomandă utilizarea regulatoarelor sincrone.

Unele aplicații, cum ar fi senzorii cu ieșire bipolară sau amplificatoare audio, necesită atât tensiuni de funcționare pozitive, cât și negative. Circuitele de măsurare sunt un alt exemplu tipic de astfel de aplicații. Semnalele electrice trebuie adesea măsurate până la 0 volți. Acest lucru nu este posibil cu un amplificator operațional care este alimentat doar de o tensiune pozitivă. Dacă amplificatorul operațional este alimentat de o tensiune pozitivă și una negativă, semnalul poate fi măsurat pe întreaga sa amplitudine.

Cel mai simplu mod de a genera o tensiune negativă este de a utiliza un al doilea înfășurare a transformatorului în circuitul de alimentare. Cu toate acestea, acest lucru nu este posibil într-un sistem în care nu aveți acces la transformatorul din sursa de alimentare. Unele sisteme de măsurare sunt proiectate, de exemplu, pentru funcționarea pe un adaptor de alimentare extern care furnizează o tensiune unipolară de 12V DC sau 24V DC la placa principală. Acest lucru economisește spațiu și costuri de sistem. În astfel de sisteme, tensiunea negativă trebuie generată din tensiunea pozitivă existentă. Cum se face acest lucru cu ajutorul unui convertor sincron Buck este explicat în acest articol. Un regulator de sincronizare modern sincron cu un FET integrat este ideal pentru acest scop, deoarece este eficient din punct de vedere energetic și necesită un minim de componente externe.

Generarea unei tensiuni de ieșire negative

Când vine vorba de conversia unei tensiuni de intrare pozitive la o tensiune de ieșire negativă, dezvoltatorii preferă în cea mai mare parte topologia buck-boost sau uneori topologia SEPIC; Cu ambele topologii, se poate obține un grad bun de eficiență care este cu mult peste cel al unui controler liniar. Circuitul propus arată că același rezultat poate fi obținut și cu un regulator de coborâre. Un regulator sincron poate fi transformat într-un regulator de creștere cu o tensiune de ieșire negativă prin simpla schimbare a punctului de referință la sol.

Acest circuit se bazează pe regulatorul sincron Buck SiP12116. Topologia COT utilizată aici permite dezvoltarea unei surse de alimentare foarte simple, care nu necesită măsuri de compensare. Regulatorul de coborâre folosește „partea inferioară” a celor două MOSFET-uri integrate pentru reglarea curentului de margine. Tot ce este necesar pentru componentele externe este un filtru LC de ieșire, condensatoare de decuplare la intrare și un condensator bootstrap.

Reglementarea funcționează în același mod ca și cu un regulator obișnuit; principala diferență este că curentul de ieșire curge în direcția opusă, deoarece conexiunea Vout este acum la potențial de masă și tensiunea de ieșire este preluată de la conexiunea de masă originală. Aceasta înseamnă că tensiunea de ieșire este negativă.

Figura 3 prezintă sincronizarea tensiunilor driverului MOSFET. Nu diferă de cel al unui regulator obișnuit. Tensiunea LX poate fi văzută și în figură. Amplitudinea variază de la -3,3 V la +12 V; De cele mai multe ori (și anume atât timp cât MOSFET-ul "inferior" conduce), tensiunea este de -3,3 V. Curba de mai jos arată tensiunea de ieșire de -3,3 V. Următoarea curbă arată curentul prin inductanță. Deoarece nu este conectată nicio sarcină în simulare, valoarea medie este 0 A. Următoarele două curbe arată cei mai importanți parametri, și anume curenții de scurgere ai celor două MOSFET-uri, IM1 și IM2. Rețineți că acești curenți sunt legați de 0V. Curentul prin MOSFET „superior” (IM1) curge de la + V la 0 V. Deoarece curge de la plus la minus, arată o curbă de timp în cădere.

Când M1 se blochează și M2 conduce, curentul curge de la –V la 0 V. IM1 crește brusc de la –1 A la 0 A, în timp ce IM2 scade la –1 A după o creștere bruscă la 1 A în timpul fazei de pornire (deoarece este legat de punctul de referință 0 V). În ceea ce privește ciclul de funcționare D, circuitul este identic cu un regulator normal. Cu toate acestea, tensiunea pe inductor este Vin + | Vout |.

Toate celelalte calcule sunt aceleași ca și pentru un regulator obișnuit.

Cele mai importante specificații ale acestui circuit sunt: Vin = 12 V, Vout = -3,3 V, Fsw = 600 kHz, Iout = 3 A, Vripple = 150 mV și Vin_ripple = 100 mV.

Un regulator sincron buck măsoară curentul prin MOSFET „inferior”. Semnalul senzorial trebuie să fie atât de mare încât să iasă în evidență de zgomotul sistemului. Acest lucru se realizează cu un curent mare de ondulare de 40% din curentul de încărcare. Acest lucru face posibilă și utilizarea unei inductanțe mai mici. În acest moment vreau să menționez că ecuațiile pentru dimensionarea componentelor externe sunt relativ simple datorită topologiei COT și sunt necesare doar câteva componente externe, deoarece curentul prin MOSFET „inferior” este determinat intern.

Diagrama circuitului arată punctele de referință modificate: Vout devine 0 V și 0 V devine –Vout. Un condensator de decuplare dimensionat corespunzător trebuie să fie conectat între intrare și 0 V, precum și între intrare și Vout.

Cu aceste informații, dezvoltatorii pot dezvolta rapid și ușor un circuit adaptat aplicației lor. Mărimea intervalului de tensiune negativă de ieșire depinde de regulatorul de sincronizare selectat IC. Iată un exemplu: SiP12116 are o tensiune de funcționare maximă de 16 V și poate furniza o tensiune de ieșire negativă de până la –4 V cu o tensiune de intrare de 12 V. Cu o tensiune de intrare de 5V, același IC poate furniza o tensiune de ieșire negativă de până la -11V.

În exemplul descris mai sus, o tensiune de intrare de 12 V este convertită într-o tensiune de ieșire negativă de -3,3 V cu o eficiență de peste 90%. Exemplul demonstrează atât eficiența, cât și eleganța acestei soluții pentru generarea unei tensiuni de funcționare negative.