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.

Ссылки

1. Tucker, John, “Using a buck converter in an inverting buck-boost topology,” Analog Design Journal SLYT286, 4Q07.
2. Tucker, John, “Using the TPS5430 as an Inverting Buck-Boost Converter,” Texas Instruments application report SLVA257A, August 2007.
3. Daniels, David G, “Create an Inverting Power Supply From a Step-Down Regulator,” Texas Instruments application report SLVA317B, February 2009.
4. Frank De Stasi "Working with inverting buck-boost converters," Texas Instruments application report SNVA856, February 2019.
5. Anthony Fagnani, Alexander Bernussi “Level-Shifting Control for an Inverting Buck-Boost,” Texas Instruments application report SLVA540, January 2013.
6. Texas Instruments 30-V to 150-V Adjustable Output Voltage Boost Reference Design for LIDAR Applications, 2018.
7. “How to Dynamically Adjust Power Module Output Voltage,” Texas Instruments application report SLVA861, December 2016.
8. Glaser, Chris, “Methods of output-voltage adjustment for DC/DC converters,” Analog Design Journal SLYT777, 3Q19.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments LM4040