Преобразователь напряжения на основе ШИМ микроконтроллера

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2012

Jeff Wilson, STMicroelectronics

EDN

Для генерации отрицательного напряжения достаточно двух диодов и двух конденсаторов

В простой схеме удаленного датчика с маленьким микроконтроллером было всего три вывода: +5 В, общий и выход данных RS-232. Для формирования двуполярного сигнала передатчика (±3 В) потребовался источник отрицательного напряжения. DC/DC преобразователь не вписывался в общий бюджет устройства, да и ток, потребляемый передатчиком, не превышал 1 мА. Зато в микроконтроллере оставался незадействованным выход широтно-импульсного модулятора (ШИМ), способный отдавать ±5 мА при амплитуде импульсов почти равной напряжению питания. С помощью подключенных к выводу ШИМ двух конденсаторов, сборки диодов Шоттки BAT54S и ограничивающего резистора удалось сделать инвертирующий преобразователь напряжения (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Диодно-конденсаторный преобразователь напряжения.

Управляющий инвертором сигнал на выводе ШИМ микроконтроллера представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с частотой 1 кГц, скважностью 2 и размахом 5 В. При высоком напряжении на выходе ШИМ заряжается конденсатор C₁. При этом нижний по схеме диод D₁ открыт и соединяет вывод C₁ с «землей». Когда напряжение на выходе ШИМ опускается, заряд переносится из C₁ в C₂ через открывшийся верхний диод сборки D₁. Одновременно заряд инвертируется вследствие того, что положительно заряженный вывод C₁ подключается почти к потенциалу «земли». Затем на выходе ШИМ вновь появляется высокий уровень, и цикл повторяется.

Из за падения напряжения на каждом из диодов сборки D₁, равного, как минимум, 0.2 В, получить −5 В из напряжения +5 В невозможно. Реальное напряжение на выходе будет порядка −4.6 В, так как в каждой фазе переключения будут теряться 0.2 В. Ограничивающий резистор R₁ необходим лишь в том случае, когда микроконтроллер, генерирующий ШИМ сигнал, должен быть защищен от импульсных помех, например, при использовании аналоговых входов микроконтроллера.

Указанные на схеме номиналы элементов рассчитаны для частоты ШИМ 1 кГц. Для других частот емкости пересчитываются по формуле:

где

C – величина емкости C₁ и C₂ (Ф),
F – частота ШИМ (Гц),
R – эквивалентное сопротивление цепи, подключенной к выходу ШИМ (Ом).

Для расчета сопротивления, нагружающего выход ШИМ, используется простое соотношение:

в котором

V – амплитуда импульсов на выходе ШИМ (В),
I – нагрузочная способность выхода (А).

Например, для нашей схемы:

и

или 0.1 мкФ.

Эту схему можно использовать, также, в качестве источника отрицательного напряжения для АЦП, ЦАП и ОУ с двуполярным питанием. Не исключено, что при питании аналоговых цепей для уменьшения размаха коммутационных выбросов вам придется добавить на выход фильтр или микромощный линейный стабилизатор.