Vishay Siliconix Flexible Synchron-Abwärtsregler mit FET

Abbildung 2 – Topologie eines Abwärtsreglers mit negativer Ausgangsspannung
Abbildung 2 – Topologie eines Abwärtsreglers mit negativer Ausgangsspannung

Für Anwendungen, die eine negative Betriebsspannung erfordern, bei denen aber nur eine positive Systembetriebsspannung verfügbar ist, bietet sich der Einsatz von Synchron-Abwärtsreglern an.

Einige Anwendungen, beispielsweise Sensoren mit bipolarem Ausgang oder Audioverstärker, erfordern sowohl eine positive als auch eine negative Betriebsspannung. Ein weiteres typisches Beispiel für solche Anwendungen sind Messschaltungen. Elektrische Signale müssen oft bis hinab zu 0 Volt gemessen werden. Mit einem Operationsverstärker, der nur durch eine positive Spannung gespeist wird, ist das nicht möglich. Wird der Operationsverstärker durch eine positive und eine negative Spannung gespeist, lässt sich das Signal über seine gesamte Amplitude hinweg messen.

Am einfachsten lässt sich eine negative Spannung mit Hilfe einer zweiten Transformatorwicklung in der Stromversorgungsschaltung erzeugen. Bei einem System, bei dem man keinen Zugriff auf den Transformator in der Stromversorgung hat, ist dies jedoch nicht möglich. Einige Messsysteme sind beispielsweise für den Betrieb an einem externen Netzadapter konzipiert, der eine unipolare Spannung von 12V DC oder 24V DC an die Hauptplatine liefert. Das spart Fläche und Systemkosten. In solchen Systemen ist die negative Spannung aus der vorhandenen positiven Spannung zu erzeugen. Wie man dies mit Hilfe eines Sychron-Abwärtswandlers bewerkstelligt, erläutert dieser Artikel. Ein moderner Synchron-Abwärtsregler mit integriertem FET eignet sich hervorragend zu diesem Zweck, weil er energieeffizient ist und mit einem Minimum an externen Bauteilen auskommt.
 

Bilder: 7

Erzeugung einer negativen Ausgangsspannung

Vorteile

Wenn es darum geht, eine positive Eingangsspannung in eine negative Ausgangsspannung umzuwandeln, bevorzugen Entwickler meistens die Buck-Boost-(Abwärts/Aufwärts-)Topologie oder manchmal auch die SEPIC-Topologie; mit beiden Topologien lässt sich ein guter Wirkungsgrad erzielen, der weit über dem eines Linearreglers liegt. Der vorliegende Schaltungsvorschlag zeigt, dass man das gleiche Ergebnis auch mit einem Abwärtsregler erreichen kann. Durch einfaches Ändern des Massebezugspunkts lässt sich ein Synchron-Abwärtsregler in einen Aufwärtsregler mit negativer Ausgangsspannung verwandeln.

Diese Schaltung basiert auf dem Synchron-Abwärtsregler SiP12116. Die hier angewandte COT-Topologie ermöglicht die Entwicklung einer sehr einfachen Stromversorgung, die keinerlei Kompensationsmaßnahmen erfordert. Zur Stromflanken-Regelung verwendet der Abwärtsregler den „unteren“ der beiden integrierten MOSFETs. An externen Bauelementen werden lediglich ein Ausgangs-LC-Filter, Entkopplungskondensatoren am Eingang und ein Bootstrap-Kondensator benötigt.

Die Regelung funktioniert genauso wie bei einem gewöhnlichen Abwärtsregler; der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Ausgangsstrom in die entgegengesetzte Richtung fließt, weil der Vout-Anschluss jetzt auf Massepotenzial liegt und die Ausgangsspannung am ursprünglichen Masseanschluss entnommen wird. Dadurch ist die Ausgangsspannung negativ.

Abbildung 3 zeigt den Zeitverlauf der MOSFET-Treiberspannungen. Er unterscheidet sich nicht von dem eines gewöhnlichen Abwärtsreglers. Auch die LX-Spannung ist aus der Abbildung ersichtlich. Die Amplitude geht von –3,3 V bis +12 V; einen Großteil der Zeit (nämlich solange der „untere“ MOSFET leitet) liegt die Spannung bei –3,3 V. Die Kurve darunter zeigt die Ausgangsspannung von –3,3 V. In der nächsten Kurve ist der Strom durch die Induktivität dargestellt. Da in der Simulation keine Last angeschlossen ist, beträgt der Mittelwert 0 A. Die nächsten beiden Kurven zeigen die wichtigsten Größen, nämlich die Drain-Ströme der beiden MOSFETs, IM1 und IM2. Man beachte, dass diese Ströme auf 0 V bezogen sind. Der Strom durch den „oberen“ MOSFET (IM1) fließt von +V nach 0 V. Da er von Plus nach Minus fließt, zeigt er einen fallenden Zeitverlauf.

Wenn M1 sperrt und M2 leitet, fließt der Strom von –V nach 0 V. IM1 steigt dann abrupt von –1 A auf 0 A an, wohingegen IM2 nach abruptem Anstieg auf 1 A im Verlauf der Einschaltphase auf –1 A abfällt (weil er auf den Referenzpunkt 0 V bezogen ist). In Bezug auf das Tastverhältnis D ist die Schaltung mit einem gewöhnlichen Abwärtsregler identisch. Die Spannung über der Induktivität beträgt jedoch Vin+|Vout|.

Alle sonstigen Berechnungen sind die gleichen wie für einen gewöhnlichen Abwärtsregler.

Die wichtigsten Spezifikationen dieser Schaltung sind: Vin = 12 V, Vout = –3,3 V, Fsw = 600 kHz, Iout = 3 A, Vripple = 150 mV und Vin_ripple = 100 mV.

Ein Synchron-Abwärtsregler misst den Strom durch den „unteren“ MOSFET. Das Sense-Signal muss so groß sein, dass es sich deutlich vom Systemrauschen abhebt. Das erreicht man durch einen großen Ripplestrom von 40 Prozent des Laststroms. Dadurch ist es auch möglich, eine kleinere Induktivität zu verwenden. An dieser Stelle will ich erwähnen, dass die Gleichungen zur Dimensionierung der externen Bauteile dank der COT-Topologie relativ einfach sind und nur wenige externe Bauteile benötigt werden, da der Strom durch den „unteren“ MOSFET intern ermittelt wird.

Das Schaltbild verdeutlicht die veränderten Bezugspunkte: Vout wird zu 0 V und 0 V wird zu –Vout. Zwischen Eingang und 0 V muss ein passend dimensionierter Entkopplungskondensaor geschaltet werden, ebenso zwischen Eingang und –Vout.

Anhand dieser Informationen können Entwickler schnell und einfach eine auf ihre Anwendung abgestimmte Schaltung entwickeln. Die Größe des negativen Ausgangsspannungsbereichs ist von dem gewählten Synchron-Abwärtsregler-IC abhängig. Hierzu ein Beispiel: Der SiP12116 hat eine maximale Betriebsspannung von 16 V und kann bei 12 V Eingangsspannung eine negative Ausgangsspannung von bis zu –4 V liefern. Bei einer Eingangsspannung von 5 V kann das gleiche IC eine negative Ausgangsspannung von bis zu –11 V liefern.

In dem oben beschriebenen Beispiel wird eine Eingangsspannung von 12 V mit einem Wirkungsgrad von über 90 Prozent in eine negative Ausgangsspannung von –3,3 V umgewandelt. Das Beispiel demonstriert sowohl die Effizienz als auch die Eleganz dieser Lösung zur Erzeugung einer negativen Betriebsspannung.