Aus Plus wird Minus
Negative Betriebsspannungen aus positiver Versorgungsspannung erzeugen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Arbeitsweise einer invertierenden Aufwärts/Abwärts-Reglerschaltung
In der ersten Phase der Schaltperiode, wenn der Schalter aktiv ist, steigt der Spulenstrom zum Speichern von Energie linear an (siehe Bild 1). Dabei fließt kein Strom zum Ausgang. In der zweiten Phase ist der interne Schalter im IC deaktiviert. Die Induktivität wechselt daraufhin ihre Polarität und schaltet nun die Freilaufdiode D3 in Vorwärtsrichtung leitend, um so Energie an die Last und den Ausgangskondensator C6 weiterzuleiten. Die Energie, die den Ausgang über die Diode erreicht, wurde in der ersten Phase in der Spule gespeichert, d.h., es wird keine Energie direkt vom Gleichstromeingang übertragen.
Diese Schaltung hat auch Eigenschaften, die nicht auf den ersten Blick offensichtlich sind, denen jedoch Rechnung getragen werden muss, wenn die Schaltung zuverlässig arbeiten soll.
1.) Die Versorgungsspannung des AS7620 besteht nicht nur aus der Eingangsspannung UE, sondern sie entspricht der Eingangsspannung plus dem Betrag der negativen Ausgangsspannung (UE + |UA|). Deshalb sollte darauf geachtet werden, dass die maximal erlaubte Betriebsspannung des Reglers nicht überschritten wird.
Der AS7620 hat beispielsweise eine maximale Betriebsspannung von 40 V. Mit diesem Schaltkreis ist es also möglich, eine Ausgangsspannung von -12 V aus einer +12-V-Spannungsversorgung bzw. eine Ausgangsspannung von -5 V aus einer +24-V-Spannung zu erzeugen. Selbstverständlich müssen auch die Eingangskondensatoren C7 und C1 für eine Spannung UE + |UA| dimensioniert sein.
2.) Die Schaltströme in einem Aufwärts-/Abwärtswandler sind notwendigerweise höher als in der Abwärtswandlerschaltung und verringern daher den verfügbaren Ausgangsstrom. Der Eingangsstrom beim Hochfahren des Aufwärts-/Abwärtswandlers ist ebenfalls höher als in einem Standard-Abwärtswandler. Dies kann dazu führen, dass eine zu knapp bemessene Eingangsspannungsquelle überlastet wird.
Aus diesem Grund wird für die Aufwärts-/Abwärtswandlerschaltung mit dem AS7620 ein optimaler Arbeitsbereich zwischen 1 mA und 250 mA bei Eingangsspannungen von 12 V und höher angegeben. Bei Eingangsspannungen unter 12 V muss der Ausgangsstrom auf höchstens 170 mA verringert werden.
3.) Der Abschalt-Pin (SHDN) des ICs bleibt hochohmig. Der AS7620 hat eine interne Pull-up-Schaltung. Damit kann der Schaltregler abgeschaltet werden, wenn der SHDN-Pin mit dem Masse-Pin (in diesem Fall die negative Ausgangsspannung) verbunden wird. Da der Masse-Pin des AS7620 in einer invertierenden Anwendung die negative Spannung darstellt, ist es notwendig, eine Pegelumsetzerschaltung einzusetzen, um den Baustein abzuschalten. Wenn die Abschaltfunktion nicht genutzt wird, sollte der SHDN-Pin hochohmig und unbeschaltet bleiben, damit möglichst wenig Rauschen eingekoppelt wird.
4.) Der vom Eingangskondensator zum Ausgang fließende Strom wird aufgrund des Schaltbetriebs des internen Leistungs-FET „zerhackt“ sein. Daher sollte darauf geachtet werden, genügend Eingangskapazität vorzusehen - 4,7 µF bis 10 µF sind ausreichend.
Der Ausgangsstrom wird auch aufgrund der Schaltvorgänge der Freilaufdiode pulsförmige Anteile enthalten. Für rauschempfindliche Anwendungen kann daher eine zusätzliche Filterung der Ausgangsspannung durch einen negativen Linearregler (LDO, Low Drop-Out) erforderlich sein.
Schaltungsbeispiel
Die Gesamtschaltung in Bild 1 zeigt eine getestete Schaltung zur Erzeugung einer positiven und negativen Ausgangsspannung von 5 V aus einer Versorgungsspannung von 12 V bis 24 V. Der positive 5-V-Ausgang kann bis zu 500 mA bereitstellen, während der -5-V-Ausgang einen Ausgangsstrom von 250 mA bei unverändert hohem Wirkungsgrad abgeben kann.
Wird Spannung an diese Schaltung angelegt, wird der negative UA-Ausgang aufgrund der Wirkung des Eingangskondensators umgehend um einige 100 mV in den ersten 10 µs (ungefähr) ansteigen. Das Ausmaß des positiven Anstiegs am negativen Ausgang ist eine Funktion der Größe des Eingangskondensators; eine optionale Schottky-Diode kann über dem Ausgang hinzugefügt werden (D5 in Bild 1), um diese Spannung unter 300 mV zu halten. Oszillogramme der Ausgangsspannungen dieser Schaltung zeigen die Bilder 3 und 4.
Literatur & Autor
[1] AS7620 Step-Down Converter IC. www.austriamicrosystems.com/eng/Products/Power-Management/DC-DC-Step-down-Converters/AS7620
Mark Shepherd studierte Elektrotechnik an der San Francisco State University und machte dort im Jahr 1994 seinen Bachelor (BSEE). Im Laufe seiner Karriere war er als Chip-Design-Ingenieur, Product Marketing Manager und Anwendungsingenieur tätig. Derzeit arbeitet er als leitender Anwendungsingenieur für die Austriamicrosystems AG in den USA.
- Negative Betriebsspannungen aus positiver Versorgungsspannung erzeugen
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