Введение
Для питания электронного оборудования используется преимущественно положительное напряжение. Иногда также используют шины отрицательного напряжения. По этой причине DC/DC-преобразователи с отрицательным выходным напряжением (или инвертирующие) встречаются не так часто, как их аналоги с положительным выходным напряжением. Тем не менее, при питании высококачественных устройств в системах промышленной автоматизации, автоматизации зданий и системах связи, таких как быстродействующие ЦАП, операционные усилители, ВЧ усилители мощности, аналоговые интерфейсы, драйверы затворов GaN полевых транзисторов, драйверы затворов IGBT и т. д., необходима шина отрицательного напряжения. Разработчики сталкиваются с серьезной проблемой при поиске решения для работы с отрицательным напряжением, поскольку для взаимодействия с большинством существующих устройств требуются внешние схемы сдвига уровня. Помимо того, что эти схемы устарели, они неэффективны, сложны и громоздки. В этой статье подробно рассматриваются недостатки устаревших решений, а затем исследуется новое семейство высокоинтегрированных устройств, которые лишены этих недостатков и предлагают компактное, простое в использовании и высокоэффективное решение для создания DC/DC преобразователя с отрицательным выходным напряжением.
Проблемы DC/DC преобразователя с отрицательным выходным напряжением
В типичной системе питания самый низкий потенциал напряжения является опорной землей (GND). Для DC/DC преобразователя с положительным выходным напряжением опорным уровнем служит просто GND (потенциал 0 В). Его входные/выходные сигналы естественным образом привязаны к этой земле. Системный контроллер взаимодействует с DC/DC преобразователем просто и непосредственно через эти контакты ввода/вывода. На Рисунке 1 показана такая система, в которой системный микроконтроллер управляет выводом EN (разрешение) преобразователя для его включения и выключения. Контроллер также следит за состоянием преобразователя через его вывод PGOOD, чтобы узнать, находится ли выходное напряжение преобразователя в пределах нормы, и можно ли подавать питание на всю систему. Для простоты здесь показан только один DC/DC преобразователь, но этот принцип применим и к системам с несколькими шинами положительного напряжения.
 |
|
| Рисунок 1. | Пример упрощенной схемы системы, в которой используются только шины положительного напряжения. |
При использовании DC/DC преобразователя с отрицательным выходным напряжением связь с системным контроллером становится нетривиальной. Линии ввода/вывода преобразователя привязаны к его самому низкому потенциалу, который в данном случае является отрицательным выходным напряжением, а не землей системы. При использовании шин отрицательного напряжения разработчикам необходимо добавить схемы сдвига уровня для связи системного микроконтроллера с DC/DC преобразователем. На Рисунке 2 показана упрощенная схема системы с двумя цепями сдвига уровня.
 |
|
| Рисунок 2. | Пример упрощенной схемы системы, в которой используются шины отрицательного напряжения. |
Опять же, для простоты здесь показан только один DC/DC преобразователь с отрицательным выходным напряжением. Но этот принцип применим и к системам с несколькими шинами отрицательного напряжения, а также к системам, сочетающим положительные и отрицательные шины. На каждую линию ввода/вывода каждого DC/DC преобразователя с отрицательным выходным напряжением требуется один преобразователь уровня.
Большие размеры схемы сдвига уровней создают трудности для разработчиков. Кроме того, DC/DC преобразователи с отрицательным выходным напряжением, основанные на устаревших решениях, сложны и неэффективны, что создает еще одну проблему.
Проблема 1: схема сдвига уровня
На Рисунке 3 показана типичная схема сдвига уровня. Ее назначение – сместить опорный уровень сигнала в соответствии с опорным уровнем системного микроконтроллера. Здесь она используется для передачи команды включения/выключения ON от системного микроконтроллера на DC/DC преобразователь. Эта схема сдвига уровня состоит из девяти компонентов. Ее работа проста: когда системный контроллер подает сигнал ON высокого уровня, транзистор Q1 включается и, в свою очередь, включает транзистор Q2, устанавливая высокий уровень на выводе EN, чтобы разрешить работу DC/DC преобразователя. При низком уровне сигнала ON транзисторы Q1 и Q2 закрыты, и на входе EN устанавливается низкий уровень, отключающий преобразователь.
 |
|
| Рисунок 3. | Схема сдвига уровня транслирует сигнал PGOOD от DC/DC преобразователя. |
На Рисунке 4 представлен распространенный вариант схемы смещения уровня. Здесь он используется для передачи сигнала PGOOD от DC/DC преобразователя в системный микроконтроллер. Когда DC/DC преобразователь выставляет высокий уровень на выход PGOOD (с открытым стоком), транзистор Q3 включается и, в свою очередь, включает транзистор Q4, в результате чего на входе RESET формируется сигнал высокого уровня, который выводит системный микроконтроллер из состояния сброса.
 |
|
| Рисунок 4. | Схема сдвига уровня транслирует сигнал PGOOD от DC/DC преобразователя. |
Для этих двух схем смещения уровня требуется 18 внешних компонентов, что ставит перед разработчиками сложную задачу адаптации решения к постоянно ужесточающимся требованиям по сокращению объема оборудования и площади печатной платы.
Проблема 2: неэффективность
DC/DC преобразователи с отрицательным выходным напряжением на основе традиционных решений имеют низкий КПД. Дополнительное тепло, выделяемое из-за низкого КПД, создает еще одну проблему для разработчиков, которые теперь должны заботиться об удалении этого тепла из системы. На Рисунке 5 показана упрощенная схема такой системы.
 |
|
| Рисунок 5. | Упрощенная схема асинхронного инвертирующего DC/DC преобразователя с двумя дросселями. |
Эта топология содержит два источника проблем неэффективности. Во-первых, в ней используется асинхронное переключение, при котором выходной выпрямительный диод D1 рассеивает бóльшую мощность по сравнению с синхронным решением. Во-вторых, дополнительный силовой дроссель L1 и дополнительный конденсатор C1 также увеличивают рассеивание мощности. На Рисунке 6 показана зависимость КПД этого преобразователя от тока нагрузки, измеренная при напряжении +12 В на входе и –15 В выходе. Его пиковый КПД составляет всего 83%, а потери мощности около 460 мВт при выходном токе 150 мА.
 |
|
| Рисунок 6. | Зависимость КПД и потерь мощности от тока нагрузки для асинхронного инвертирующего DC/DC преобразователя с двумя дросселями. |
Более компактное и эффективное решение для DC/DC преобразователя с отрицательным выходным напряжением
Микросхемы MAX17577 и MAX17578 были разработаны для удовлетворения растущих требований к размерам и тепловыделению устройств в системах автоматизации производства, автоматизации зданий и связи. Для снижения стоимости и количества компонентов в устройства интегрированы цепи сдвига уровня, а также используется синхронное выпрямление для достижения максимального КПД. Это самые компактные и высокоэффективные в отрасли синхронные инвертирующие понижающие DC/DC преобразователи. Типичная схема их применения показана на Рисунке 7.
 |
|
| Рисунок 7. | Высокоинтегрированный и наиболее эффективный DC/DC преобразователь с отрицательным выходным напряжением. |
Микросхемы MAX17577 и MAX17580 имеют широкий диапазон входных напряжений. Устройства работают с входными напряжениями от 4.5 В до 60 В и могут отдавать в нагрузку ток до 300 мА. Благодаря встроенным схемам сдвига уровня за счет вдвое меньшего количества компонентов эти устройства экономят до 72% площади платы, потребляя при этом на 35% меньше энергии, чем ближайшие традиционные решения. На Рисунке 8 видно, что пиковый КПД преобразователя на основе микросхемы MAX17577, измеренный при входном напряжении 16 В и нагрузке –15 В/150 мА, составляет 88.5%. Это на 5.5% выше по сравнению с КПД традиционного решения, показанного на Рисунке 6. Почему КПД так важен? При КПД 88.5% устройство рассеивает всего 292 мВт, отдавая в нагрузку 2.25 Вт. 292 мВт по сравнению с 460 мВт для традиционного решения означает, что количество тепла, которое нужно отводить от системы, уменьшено на 37%.
Рисунок 9 представляет улучшенную версию схемы на Рисунке 2, в которой отсутствуют цепи сдвига уровня. Системный микроконтроллер может напрямую взаимодействовать с микросхемами MAX17579/MAX17580, несмотря на то, что они имеют разные земли.
 |
|
| Рисунок 8. | Зависимость КПД микросхемы MAX17579 от тока нагрузки при выходном напряжении –15 В. |
Стоит также отметить, что благодаря широкому диапазону рабочих напряжений эти новые решения могут выдерживать колебания напряжения в системе, обусловленные скачками напряжения питания, противо-ЭДС, звоном в кабеле и прочими факторами, что повышает надежность системы. Кроме того, в том же семействе существуют микросхемы MAX17577 и MAX17578, которые имеют схожие характеристики, но рассчитаны на выходной ток до 1 А. Эти устройства отлично подходят для питания радиочастотных усилителей мощности, драйверов затворов GaN полевых транзисторов, драйверов затворов IGBT и т. д.
 |
|
| Рисунок 9. | MAX17579/MAX17580 в системе, использующей шины отрицательного напряжения. |
Заключение
Растущие требования к уменьшению размеров и снижению тепловыделения решений в устройствах промышленной автоматизации, автоматизации зданий и систем связи создают серьезные проблемы разработчикам при поиске DC/DC преобразователей с отрицательным выходным напряжением, традиционные решения для которых в большинстве случаев устарели, неэффективны, сложны и громоздки. Новое семейство высокоинтегрированных устройств со встроенными преобразователями уровня, синхронным выпрямлением и широким диапазоном входных рабочих напряжений обеспечивает самые компактные, высокоэффективные и надежные решения для создания DC/DC преобразователей с отрицательным выходным напряжением.
Купить MAX17577 на РадиоЛоцман.Цены
