Układy scalone takie jak mikrokontrolery, procesory, czujniki cyfrowe i pamięci – działają na pojedynczych dodatnich szynach zasilających. To samo dotyczy płytek ewaluacyjnych, takich jak Arduino, które w przeważającej mierze opierają się na zasilaniu pojedynczym napięciem dodatnim. Podobna uwaga dotyczy układów scalonych do zarządzania energią (PMIC), które najczęściej projektowane są z myślą o generowaniu wielu dodatnich szyn zasilających z jednego źródła energii takiego jak bateria lub zasilacz adapterowy.
Może to prowadzić do postrzegania ujemnych napięć jako czegoś nietypowego, wręcz reliktu w elektronice. Niemniej ujemne napięcia są nadal niezbędne w szerokim zakresie aplikacji analogowych i sygnałów mieszanych, w tym w kondycjonowaniu sygnałów, pomiarach, interfejsach czujników, konwersji danych i precyzyjnych układach wzmacniaczy operacyjnych. Zrozumienie, kiedy i dlaczego konieczne jest zastosowanie szyny ujemnej, zwiększa zakres możliwości projektowych i pomaga uniknąć kosztownych przeoczeń.
Projekty wymagające ujemnej szyny zasilającej to zwykle:
- Obwody kondycjonowania sygnału czujników analogowych wykorzystujące wzmacniacze operacyjne często wymagają ujemnego zasilania, aby sygnał wyjściowy miał wartość średnią równą zero.
- Starsze interfejsy komunikacyjne, takie jak RS-232, wymagają zarówno dodatniego, jak i ujemnego napięcia zasilania, aby zapewnić prawidłowy poziom logiczny interfejsu.
- Wzmacniacze audio i pomiarowe często wykorzystują układy bipolarne, aby zwiększyć moc wyjściową, zmniejszyć zniekształcenia i poprawić liniowość.
- Niektóre czujniki MEMS i fotodiody mogą wymagać niewielkiego ujemnego napięcia polaryzacji dla zapewnienia optymalnej dokładności i czułości.
Kluczowe zagadnienia
Często się zakłada, że napięcia ujemne są przeznaczone wyłącznie dla starszych systemów elektronicznych, jednak wiele precyzyjnych czujników, wzmacniaczy i układów polaryzujących w dzisiejszych projektach wymaga niewielkiego napięcia ujemnego – często zaledwie kilku woltów – aby działać optymalnie.
W układach sygnałów mieszanych, gdzie przestrzeń jest ograniczona i budżet energetyczny jest napięty, możliwość wysokosprawnego generowania stabilnego napięcia ujemnego z pojedynczej dodatniej szyny może mieć kluczowe znaczenie dla sukcesu projektu.
Powszechnym błędem jest to, że generowanie napięcia ujemnego zawsze wymaga użycia transformatorów lub dostępności dwóch źródeł. W rzeczywistości nowoczesne układy przetwornic, takich jak pompy ładunkowe i konwertery odwracające, upraszczają tworzenie ujemnej szyny z pojedynczego dodatniego źródła zasilania, i sprawdzają się nawet w kompaktowych projektach o niskim poborze mocy.
Częstym błędem jest traktowanie masy jako punktu odniesienia napięcia absolutnego zera we wszystkich obwodach. W zasilaczach wielonapięciowych lub o wyjściu symetrycznym bipolarnych "masa" to po prostu punkt środkowy między napięciem dodatnim a ujemnym (np. ±15 V), a nie stałe, globalne zero woltów. W systemach z obwodami separowanymi galwanicznie każdy obwód może mieć własną masę, a założenie, że wszystkie one są ze sobą połączone, może prowadzić do błędów projektowych.
Kolejną pułapką projektową jest założenie, że "masa" zawsze oznacza to samo w całym obwodzie. Masa jest po prostu punktem odniesienia, a jej znaczenie może się różnić w zależności od konfiguracji zasilacza lub granic izolacji. To nieporozumienie może powodować problemy w układach analogowych, gdzie wzmacniacze operacyjne lub czujniki mogą zachowywać się niezgodnie z oczekiwaniami, jeśli napięcia odniesienia nie są prawidłowo odniesione do rzeczywistej masy obwodu. W systemach izolowanych lub zasilanych napięciem symetrycznym oraz wieloma różnymi napięciami traktowanie masy jako uniwersalnego 0 V może prowadzić do błędów integralności, problemów z szumami, a nawet usterek.
Brak przemyślenia zasilania z użyciem szyny ujemnej może prowadzić do przeoczenia krytycznych kwestii, takich jak zapewnienie prawidłowej ścieżki powrotnej, odsprzęganie i izolacja szumów w zasilaniu. Może to prowadzić do niestabilności lub obniżenia wydajności części analogowej. Na przykład, prawidłowe ścieżki powrotne stają się bardziej złożone, gdy obecne jest zarówno dodatnie, jak i ujemne zasilanie, gdyż masa nie jest już najniższym potencjałem w układzie, a poza tym nieostrożne prowadzenie ścieżek może prowadzić do powstawania pętli masy lub niezamierzonych ścieżek prądowych na których będzie pojawiał się duży spadek napięcia.
Kondensatory odsprzęgające muszą być odpowiednio rozmieszczone zarówno dla szyn dodatnich, jak i ujemnych oraz zapewniać kontakty o małej indukcyjności, aby zminimalizować tętnienia i przerzuty napięcia w stanach przejściowych. Izolacja szumów jest również trudniejsza w systemach z sygnałami mieszanymi, w których "cyfrowy" szum wynikający z komutacji może przenikać do wrażliwych obwodów analogowych poprzez wspólną masę lub płaszczyznę zasilania. Bez starannego podziału obwodów, filtrowania i dokładnego zaplanowania przepływu prądu, korzyści płynące z precyzyjnego analogowego front-endu mogą zostać utracone z powodu niestabilności, zakłóceń lub dryftu wprowadzanych przez niestabilność zasilania.
Wczesne rozpoznanie potencjalnych problemów pomaga uniknąć przesterowania, słabego zakresu dynamiki i konieczności przeróbek projektu w przyszłości, co prowadzi do lepszego układu i pomaga uniknąć kosztownych przeoczeń.
Projektanci mają do dyspozycji kilka sprawdzonych rozwiązań układowych do generowania napięć ujemnych z pojedynczego napięcia dodatniego, w zależności od złożoności, zapotrzebowania na moc i wymagań dotyczących sprawności. Firma Analog Devices (ADI) oferuje szeroką gamę takich układów – od prostych pomp ładunkowych po wysokosprawne konwertery impulsowe – które istotnie upraszczają wytwarzanie napięć ujemnych.
Pompy ładunkowe
Są one dobre do projektów o ograniczonej ilości miejsca, wymagających niewielkiej mocy – na przykład do polaryzacji wzmacniacza operacyjnego lub polaryzacji czujnika. Przykładem jest LTC1983 wymagający tylko trzech zewnętrznych kondensatorów (rys. 1).
LTC1983 odwraca polaryzację napięcia wejściowego, dzięki czemu doskonale nadaje się do zasilania niskoprądowych obwodów analogowych wymagających do 100 mA, np. do polaryzowania wzmacniaczy operacyjnych, regulacji offsetu czujników. Nie wymaga cewek indukcyjnych, co upraszcza układ, ale wiąże się z kompromisem w zakresie sprawności i poziomu szumów w napięciu wyjściowym.
Większą elastyczność układową i wydajność zapewnia LTC3265. Jest to dwuwyjściowa pompa ładunku, która może generować zarówno napięcie dodatnie, jak i ujemne z jednego źródła (rys. 2) i o regulowanej wartości. Dzięki zintegrowanym niskoszumowym stabilizatorom LDO, dostarcza prąd do ±100 mA przy niskich tętnieniach, co czyni układ ten doskonałym rozwiązaniem do aplikacji sygnałów mieszanych, precyzyjnej aparatury pomiarowej i czujników przemysłowych.
Układ LTC3265 zapewnia znacznie lepsze parametry niż układ LTC1983 w zakresie sprawności, poziomu szumów i możliwości integracji z zaawansowanymi obwodami analogowymi, co czyni go lepszym wyborem, gdy czystość napięcia na szynach i niezawodność są ważne.
Przetwornice buck-boost
Gdy potrzebne są duże prądy lub wymagana jest lepsza sprawność, odwracające napięcie przetwornice buck-boost stanowią dobre rozwiązanie. Układy te odwracają napięcie wejściowe i stabilizują je zapewniając szeroki zakres napięć wejściowych i wyjściowych oraz doskonałą sprawność. LTC3863 firmy ADI to przykład takiego rozwiązania, zdolny do generowania ujemnych napięć wyjściowych aż do –150 V. Dzięki temu idealnie nadaje się do systemów przemysłowych i komunikacyjnych.
Z kolei LT8624S, z rodziny silent switcher, można użyć w trybie odwracającym, aby zapewnić wysoką sprawność konwersji przy ultraniskim poziomie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Dzięki temu jest szczególnie odpowiedni do zastosowań w obwodach analogowych wrażliwych na zakłócenia.
Jeszcze inną opcją przeznaczoną do zasilania napięciem symetrycznym wzmacniaczy operacyjnych lub czujników jest ADP5076 – dwuwyjściowy konwerter impulsowy, który generuje dodatnie i ujemne napięcie (np. +12 V i –12 V) z jednego wejścia.
Izolowane napięcie ujemne
Zastosowania wymagające separacji masy ze względów bezpieczeństwa, odporności na zakłócenia lub dla zapewnienia izolacji funkcjonalnej – takie jak przemysłowe ukłądy interfejsów, aparatura medyczna czy systemy motoryzacyjne wykorzystują transformatorowe konwertery DC- DC, zazwyczaj w topologii flyback (rys. 3) lub push-pull. Transformator zapewnia rozdzielenie obwodów.
LT3758 to wysokosprawny konwerter DC/DC pracujący w topologiach boost (podwyższający), SEPIC, flyback i odwracającej polaryzację. Można go użyć do generowania napięcia ujemnego z izolacją za pomocą transformatora. Dostarcza ujemnego napięcia wyjściowego do 100 V i chociaż nie wymaga optoizolatora, napięcie ujemne jest niestabilizowane i może być wymagane dołożenie na wyjściu stabilizatora LDO.
W aplikacjach, gdzie jest kilka szyn zasilających, a dodatkowo przestrzeń na płytce jest ograniczona, można użyć układu LT8471 firmy ADI. Jest to uniwersalny, dwukanałowy kontroler, który pozwala na niezależną konfigurację każdego kanału jako boost, buck-boost, SEPIC lub flyback. Pozwala to uzyskać wiele kombinacji napięcia wyjściowego, zarówno dodatniego, jak i ujemnego. Na przykład, jeden kanał może generować +12 V, a drugi –12 V, lub jeden kanał może być skonfigurowany jako boost do +24 V, a drugi jako izolowany flyback –5 V.
Niektóre układy sterujące tranzystorami MOSFET mocy, wymagają ujemnych napięć sterujących bramką dla zapewnienia bezpiecznego i wydajnego przełączania. ADuM4120 to izolowany sterownik bramki, który dostarcza ujemnych napięć dla obwodu bramka-źródło, co czyni go szczególnie przydatnym w układach przełączających mostkowych lub półmostkowych (rys. 4).
Poza tym, gdy czas realizacji i zajmowana przestrzeń na płytce drukowanej mają kluczowe znaczenie, projektanci mogą sięgnąć po stabilizatory z rodziny μModule. Przykładowa jednostka z tej serii LTM4655 to konwerter odwracający typu buck-boost z dwoma, w pełni niezależnymi kanałami wyjściowymi, które można skonfigurować do regulowanego wyjścia ujemnego lub dodatniego.
Podsumowanie
Wiele urządzeń wymaga do pracy ujemnego napięcia w tym aplikacje Internetu Rzeczy (IoT), czujniki przemysłowe, precyzyjna aparatura pomiarowa, a nawet sprzęt medyczny. Wybierając odpowiednią topologię konwersji – czy to pompę ładunkową dla uproszczenia, czy przetwornicę impulsową dla zwiększenia sprawności – można uzyskać ujemne napięcia bez znacznego zwiększania złożoności układowej. Szeroka oferta chipów i projekty referencyjne ADI pomagają projektantom w tym zadaniu.
DigiKey
www.digikey.pl
