Создание расщепленного источника питания 12 В из однополярного напряжения 5 В

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2019

Развитие цифровых полупроводниковых технологий требует для повышения производительности микросхем и снижения потребляемой мощности их питания от источников с все более низкими напряжениями, что создает дополнительные проблемы для чувствительных схем аналоговых датчиков. Бóльшая часть собственных шумов, создаваемых первыми каскадами цепей обработки сигналов аналоговых датчиков, не зависит от напряжения питания усилителя, поэтому увеличение напряжения питания только улучшает точность и другие характеристики системы. При снижении питающего напряжения разработчики должны либо смириться с потерей точности (отношения сигнал/шум), либо из доступного напряжения получить более высокое напряжение для питания датчиков.

Рисунок 1.	С помощью микросхемы импульсного стабилизатора и трансформатора из напряжения системной шины 5 В можно создать напряжения ±12 В, чтобы улучшить электрические характеристики и отношение сигнал/шум аналогового интерфейса датчика.

В дополнение к напряжению, разработчики должны принимать во внимание и землю. Во многих случаях схема датчика должна питаться от шин, напряжения которых как выше, так и ниже напряжения сигнальной земли. Эта сигнальная земля может быть либо истиной землей системы, либо виртуальной землей, созданной в средней точке однополярного источника питания. Использование истиной земли системы требует «расщепленной» шины питания (±V), но улучшает характеристики в результате снижения токов утечки и уменьшения отклонений потенциала виртуальной земли, которые влияют на точность измерений.

Таким образом, чтобы получить наилучшие характеристики внешнего аналогового интерфейса, разработчики должны иметь в своем распоряжении метод создания напряжений расщепленной шины из более низкого однополярного напряжения. Одним из способов создания расщепленной шины является использование интегральной схемы импульсного регулятора в сочетании с небольшим трансформатором. Эта комбинация образует обратноходовую схему, которая занимает на печатной плате площадь меньше одного квадратного дюйма.

Схема на Рисунке 1 повышает напряжение 5-вольтовой шины питания (4.5 … 5.5 В) до двух малошумящих напряжений ±12 В и может быть адаптирована для получения других напряжений, таких, например, как ±15 В. В описываемой здесь конструкции используется импульсный регулятор LM5001 (U1) компании Texas Instruments, объединяющий генератор широтно-импульсной модуляции (ШИМ), ключевой транзистор, источник опорного напряжения и усилитель ошибки, который управляет коэффициентом заполнения сигнала ШИМ, сравнивая опорное напряжение и сигнал обратной связи на выводе 6.

Регулятор переключает ток через первичную обмотку трансформатора T1, а коэффициент заполнения ШИМ определяет выходное напряжение на вторичной обмотке, имеющей отвод от середины. Диод D3 и подключенные к нему компоненты необходимы для минимизации переходных помех и звонов, возникающих на входе трансформатора при размыкании внутреннего ключа микросхемы регулятора. Диоды D2 и D4 выполняют функции однополупериодных выпрямителей для выходов трансформатора.

Резистор R10 устанавливает номинальную частоту переключения ШИМ, равной 600 кГц, что является компромиссом между КПД преобразования и помехами (как шумами переключения, так и пульсациями) на выходных шинах и размерами трансформатора. При такой частоте переключения КПД при некоторых токах нагрузки может превышать 80% (Рисунок 2). И шумы, и КПД преобразования падают с увеличением частоты переключения, поэтому разработчики могут улучшить КПД за счет шумов путем подбора сопротивления резистора R10. Снижение частоты переключения часто влечет за собой необходимость увеличения размеров трансформатора, добавляя еще один фактор к этому компромиссному решению.

Рисунок 2.	При более низких токах в потерях схемы расщепленной шины преобладает собственный ток потребления микросхемы, но достижимый КПД преобразования может превышать 80%.

Конденсаторы C3, C4, C8 и C9 служат основными элементами выходных фильтров, но разработчики могут дополнительно уменьшить шумы переключения, добавив постфильтры нижних частот L1/C14 и L2/C15, показанные на выходах положительной и отрицательной шины. Фильтры имеют частоту среза около 90 кГц, благодаря чему пиковые переходные шумы становятся ниже 10 мВ, а шумы переключения, измеренные в диапазоне от постоянного тока до 600 МГц, уменьшаются до уровня менее 2 мВ. Заменив конденсаторы C4 и C9 на 47 мкФ, шумы можно снизить еще больше. Симметричная разводка дифференциальной силовой секции схемы может способствовать уменьшению дифференциальных шумов.

Такая разновидность обратноходовой схемы, в которой используется только один регулятор, управляющий положительным выходом, обеспечивает подавление некоторых компонентов дифференциальных шумов и не требует второй микросхемы. Перекрестная стабилизация с одной микросхемой регулятора, как правило, не так точна, как в случае использования для отрицательного выхода собственного отдельного регулятора. Но поскольку в большинстве случаев цепи прохождения сигналов датчиков потребляют симметричный ток от каждой шины, перекрестное регулирование обычно не создает каких-либо проблем.

В любом случае, измерения показывают, что эта схема обеспечивает хорошую перекрестную стабилизацию. Например, если один выход отдает в нагрузку 35 мА, а ток другого выхода варьируется между 10 мА и 50 мА, напряжения на обоих выходах стабилизируются с ошибкой менее 3%. Измеренные в реальной схеме отклонения выходных напряжений находились в пределах 5 мВ для обоих каналов при дифференциальном питании нагрузки от обоих выходов токами от 5 до 40 мА.

Материалы по теме