Простой способ реализации расщепленного питания ±5 В для аналоговых схем

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2014

Jim Drew, Linear Technology

LT Journal

Расщепленное питание довольно часто требуется в аналоговых схемах для создания виртуальной земли на выходах усилителей. Как правило, это бывают маломощные источники, способные отдать нагрузкам дифференциальный ток в несколько десятков миллиампер. На Рисунке 1 показано, как сделать подобный расщепленный источник с помощью двух высокоэффективных 20-вольтовых понижающих преобразователей напряжения LTC3388-3, питающихся входным напряжением 6…12 В.

Шина положительного напряжения образована микросхемой LTC3388-3 в ее стандартной конфигурации понижающего преобразователя, в то время как для отрицательной шины использована вторая микросхема LTC3388-3, вывод V_OUT которой заземлен, а выходное напряжение берется с вывода GND. Шина отрицательного напряжения соединена с вскрытой теплоотводящей площадкой микросхемы LTC3388-3, которая должна быть изолирована от слоя системной земли и иметь достаточно большую площадь, обеспечивающую адекватное охлаждение LTC3388-3.

Исключительно эффективные понижающие преобразователи LTC3388-1 и LTC3388-3 в отсутствие нагрузки потребляют типовой ток всего 720 нА, сохраняя при этом способность стабилизации выходного напряжения. В нормальном режиме работы микросхемы могут отдавать в нагрузку ток до 50 мА, а при снижении входного напряжения ниже 2.3 В схема блокировки переводит устройство в режим пониженного потребления. Выходное напряжение программируется через два цифровых входа, и после того, как оно превысит 92% (типовое значение) от запрограммированной величины, статусный выход PGOOD подтвердит, что питание достигло нормы. Выходные напряжения LTC3388-1 могут принимать значения 1.2 В, 1.5 В, 1.8 В или 2.5 В, в то время как для LTC3388-3 установлен ряд 2.8 В, 3.0 В, 3.3 В или 5.0 В. Оба прибора выпускаются в 10-выводных корпусах MSE или DFN размером 3 мм × 3 мм.

Работа расщепленного источника питания

Когда LTC3388 для формирования положительного напряжения сконфигурирован как понижающий преобразователь, ток индуктивности через внутренний P-МОП ключ линейно нарастает до уровня I_PEAK (типовое значение 150 мА), а затем через N-МОП ключ спадает до нуля. Последовательность этих событий заряжает выходной конденсатор до напряжения, немного превышающего напряжение стабилизации, и с этого момента преобразователь переходит в спящий режим.

Пока выходное напряжение уменьшается под влиянием внешней нагрузки, понижающий преобразователь остается в спящем режиме, а внутренний компаратор спящего режима отслеживает выходное напряжение. Когда выходное напряжение падает ниже напряжения стабилизации, понижающий преобразователь просыпается и цикл повторяется. Такая гистерезисная технология управления выходным напряжением снижает потери, связанные с переключением MOSFET ключей, и одновременно обеспечивает уверенную стабилизацию при облегченных нагрузках. Наибольший средний ток, который может отдать понижающий преобразователь, равен 50 мА.

Рисунок 1.	Простой способ реализации расщепленного источника питания.

 Шина отрицательного напряжения образована заземлением узла V_OUT понижающего преобразователя. При таком включении опорный вывод «земли» микросхемы LTC3388 становится шиной отрицательного напряжения. Напряжение между выводом V_IN и отрицательной шиной является суммой входного напряжения и абсолютной величины напряжения на отрицательной шине. Подобная конфигурация ограничивает допустимое напряжение источника значением 20 В (максимально допустимое входное напряжение для LTC3388) за вычетом абсолютной величины напряжения отрицательной шины.

Рисунок 2.	Зависимость входного тока от тока нагрузки для расщепленного источника питания, изображенного на Рисунке 1. (Кривая –5 В также справедлива и для схемы на Рисунке 3).

Ток индуктивности через внутренний P-МОП ключ линейно нарастает до уровня I_PEAK как в понижающем преобразователе, а затем через N-МОП ключ спадает до нуля, заряжая при этом выходной конденсатор отрицательным напряжением. Такой характер работы типичен для инвертирующего синхронного повышающе-понижающего преобразователя в режиме критической проводимости. Максимальный выходной ток в этой конфигурации ограничен пиковым током индуктивности, входным напряжением и абсолютной величиной выходного напряжения. Приведенное ниже выражение может использоваться для оценки максимального доступного выходного тока.

 

В приложениях с расщепленными источниками питания аналоговые цепи подключаются между шинами положительного и отрицательного напряжения. В результате такого включения токи нагрузки обоих регуляторов имеют одинаковую величину. На Рисунке 2 изображена зависимость входного тока от выходного тока для схемы из Рисунка 1. При очень малых токах нагрузки, не превышающих 10 мкА, входной ток покоя может восприниматься как положительное смещение во входном токе. При токах, бóльших 100 мкА, этот эффект минимален, и входной ток приблизительно равен выходному. Выражение для входного тока можно аппроксимировать следующей формулой:

 

где η – КПД.

Источник отрицательного напряжения

На Рисунке 3 показана повышающе-понижающая конфигурация, использованная для создания шины отрицательного напряжения. Для запуска преобразователя в такой конфигурации достаточно, чтобы входное напряжение лишь на 2.5 В (типовое значение) превысило порог U_VLO. Кривая –5 В на Рисунке 2 применима и к этой схеме при входном напряжении 12 В.

Рисунок 3.	Источник отрицательного напряжения.

Заключение

Простая в реализации схема расщепленного источника с использованием LTC3388 благодаря низкому току покоя позволяет создавать высокоэффективные решения для питания слаботочных аналоговых схем, требующих выходов виртуальной земли. Выходное напряжение каждого устройства дискретно программируется через цифровые входы в диапазоне от 1.2 В до 5.0 В. Отдаваемый в нагрузку ток может достигать 50 мА. Каждому регулятору требуются лишь четыре внешних конденсатора и одна индуктивность, занимающие на печатной плате очень незначительную площадь. Статусный выход PGOOD служит для индикации режима нормальной стабилизации выходного напряжения. LTC3388-1 и LTC3388-3 выпускаются в 10-выводных корпусах MSE или в корпусах DFN с размерами 3 мм × 3 мм.