Создание расщепленного источника питания 12 В из однополярного напряжения 5 В

Texas Instruments LM5001

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2019

Robert M. Hanrahan

Electronic Design

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.

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.
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.

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

  1. Datasheet Texas Instruments LM5001
  2. Datasheet STMicroelectronics BAT41ZFILM

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Create A 12-V Split Rail From A 5-V Bias

Цена LM5001LM5001 на РадиоЛоцман.Цены — от 4,32 до 432 руб.
29 предложений от 22 поставщиков
Исполнение: SO8. SWITCHING REG, SINGLE, ADJ, 1A; Voltage Regulator Type:Adjustable; Voltage, Input Max:75V; Current, Output Max:1A; Accuracy, Percentage:1.5%; Frequency:1.5MHz; Voltage, Supply...
ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
ТриемаTexas InstrumentsLM5001SD/NOPB4 руб.
Стандарт СИЗTexas InstrumentsLM5001MAX/NOPB108 руб.
ТаймЧипсTexas InstrumentsLM5001SDEпо запросу
TradeElectronicsTexas InstrumentsLM5001MAпо запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Не понимаю, что такого особенного в этой схеме. Ну за исключением высокой частоты ШИМ в 600кГц. Тема "двухполярный источник из однополярного" близка любому разработчику аналоговой схемотехники, любому, кто работает с ОУ и АЦП. Аналогичные схемы можно встретить почти во всех платах USB аципометров или осциллографов. Но часто разрабочтки идут по более простому пути - используют интегральные DC/DC по типу 0512S или 1212S. Их КПД при полной нагрузке в пределах 60-75%, а в недогруженном состоянии на уровне 50%. Проверял преобразователи в SIP4 и SIP7 производства Morsun. Причём сделаны они довольно просто - на входе блокинг-гненератор или что-то подобное. А шумы и стабильность... внешний пассивный фильтр + пара кренок решают проблемы. В частности, такое можно встретить в платах АЦП mDAQ, ADC-Lab и т.п. Но в продукции LCard, к примеру, радуют глаз как раз преобразователи, построенные по образу и подобию описанного в этой статье. Например, [URL="https://www.lcard.ru/products/external/e-140m"]на плате E14-140[/URL] можно увидеть аналогичное изложенному в статье решению, только в двухтактном исполнении. Не сочтите за рекламу, мне просто понравилась схема этого АЦП. Многое из неё я повторял в своих поделках. И попутно скажу, что интригует название статьи "Создание расщепленного источника..." Почему именно "Создание", как будто описаны все этапы макетирования, промахи и неудачи, душевные терзания и слёзы автора. Может просто, "Схема расщепленного источника питания".