Высоковольтный высокоэффективный преобразователь положительного напряжения в отрицательное

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2017

Введение

Преобразование положительного напряжения в отрицательное широко используется в жидкокристаллических устройствах, OLED дисплеях, аудио усилителях, промышленном оборудовании, средствах измерений, системах контроля, светодиодных драйверах и зарядных устройствах. Для многих из этих приложений требуются большие уровни мощности и расширенные диапазоны входных напряжений – именно то, что является двумя неотъемлемыми характеристиками контроллера преобразователя положительного напряжения в отрицательное LTC3896. Этот контроллер особенно подходит для автомобильных приложений, благодаря очень высоким допустимым входным и выходным напряжениям, разность которых может достигать 150 В, способности управлять MOSFET со стандартными уровнями пороговых напряжений, а также низкому собственному току потребления, не превышающему 40 мкА в активном режиме и снижающемуся до 10 мкА в режиме отключения.

–12 В/ 5 А на выходе при входном напряжении от 7 В до 72 В

На Рисунке 1 показана схема преобразователя положительного напряжения в отрицательное, основанная на контроллере LTC3896. Это решение позволяет из широкого диапазона входных напряжений от 7 В до 72 В получить на нагрузке –12 В при токе 5 А. Для рынка автоэлектроники способность LTC3896 выдерживать столь высокие входные напряжения означает возможность исключить из схемы громоздкие и дорогие ограничители напряжения, в то время как низкий минимальный уровень входного напряжения позволяет не нарушать работу чувствительных устройств даже при холодном запуске двигателя.

Рисунок 1.	При выходном напряжении –12 В преобразователь U1 отдает в нагрузку ток 5 А в диапазоне входных напряжений от 7 В до 72 В. Обратите внимание, что управляющие сигналы RUN, PGOOD и PLLIN привязаны к уровню шины GND.

Силовая цепь преобразователя образована MOSFET Q1, Q2 и индуктивностью L1. В выходном фильтре использованы керамические конденсаторы с диэлектриком COX. Вход EXTV_CC микросхемы U1 подключен к шине GND, поэтому потенциал этого вывода относительно V_OUT– равен 12 В. При необходимости иметь сигнал «Питание в норме», следует использовать внешний источник напряжения V_EXT с опорным уровнем GND. Управляющие и интерфейсные сигналы микросхемы LTC3896, включая RUN, PGOOD и PLLIN, привязаны к уровню системной «земли», и поэтому не требуют схем сдвига уровней в системах, управляемых внешним процессором.

Подробные рекомендации по расчету минимально допустимых напряжений и токов компонентов, окружающих LTC3896, содержатся в техническом описании микросхемы. Для грубой оценки величин коэффициента заполнения (D), среднего тока индуктивности (I_L) и напряжения на MOSFET (V_DS) можно использовать следующие расчетные формулы:

Универсальность LTC3896 иллюстрируется демонстрационной схемой DC2447A [1]. С ее помощью разработчики могут исследовать множество функций этого контроллера, включая синхронизацию от внешнего генератора и возможность использования внешнего линейного регулятора для снижения тепловой нагрузки на микросхему при высоких выходных напряжениях, а также оценить простоту решений, позволяющих получить выходные напряжения –5 В или –3.3 В.

Рисунок 2.	Зависимость КПД от тока нагрузки для схемы на Рисунке 1 при выходном напряжении –12 В. Максимальный ток нагрузки равен 5 А.

На Рисунке 2 изображена зависимость КПД от тока нагрузки при различных входных напряжениях. Тепловая карта платы преобразователя во время работы показана на Рисунке 3.

Рисунок 3.	Тепловое изображение демонстрационной платы DC2447A, полученное при входном напряжении 36 В, выходном напряжении –12 В и выходном токе 5 А. Справа показано расположение элементов на печатной плате.

Заключение

LTC3896 – это высокоинтегрированный контроллер, разработанный специально для преобразования положительного напряжения в отрицательное. Основанные на этом контроллере решения отличаются высоким КПД и очень низким током потребления, что крайне важно для систем с батарейным питанием. Исключительная универсальность микросхемы основана на программируемой частоте переключения, широком диапазоне входных напряжений до 150 В и высоком максимальном выходном напряжении –60 В. Устройство упрощает разработку автомобильных и промышленных источников питания, сигналы управления которыми привязаны к уровню «земли».

Ссылки

Материалы по теме