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Negative Versorgungsspannung erzeugen

Aus Plus wird Minus

26. Oktober 2016, 15:00 Uhr | Frederik Dostal

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Schaltungsbeispiel eines Auf-Abwärtswandlers

Die unterschiedlichen Schaltungskonzepte werden seit vielen Jahren verwendet. Aktuelle Entwicklungen haben jedoch zu neuen Varianten von Schaltreglern geführt, mit denen Auf-Abwärtswandler zum Erzeugen von negativen Spannungen entwickelt werden können. Der ADP5073 ist ein solcher spezialisierter Schaltregler-IC. Bei ihm ist keine zusätzliche Spannungsanpassung von externen Signalen notwendig. Dadurch kann ein zeitlich definiertes Anlaufen verschiedener Versorgungsspannungen einfach implementiert werden. Außerdem bietet der IC einen speziellen Anschluss zur Reduzierung der Flankensteilheit beim Schalten. Damit können HF-Störungen, die durch das schnelle Schalten verringert werden, reduziert werden.

Schnelle Schaltvorgänge bieten die geringsten Schaltverluste und dadurch den höchsten Wirkungsgrad. Langsame Schaltvorgänge verursachen dagegen langsame Änderungen des Stromflusses durch parasitäre Schaltungs-Induktivitäten. Dadurch wird eine geringe Spannung induziert und daraus resultierend weniger Störsignale. Es gibt drei unterschiedliche Einstellungen der Geschwindigkeit, um den besten Kompromiss zwischen hohem Wirkungsgrad und niedriger Störsignalemission zu erreichen. Üblicherweise würde ein Entwickler eine Schaltung mit der höchsten Geschwindigkeit der Schaltvorgänge entwickeln, um die geringsten Verluste zu erzielen. Stellt er dann am Ende der Entwicklung fest, dass die Störsignale zu hoch sind, kann er über den Steueranschluss ein langsameres Schalten programmieren.
Der ADP5073-Schaltregler ist für einen maximalen Schaltstrom von 1,2 A ausgelegt. Der maximal mögliche Ausgangsstrom hängt vom Verhältnis der Eingangs- zur Ausgangsspannung ab. Bild 8 zeigt eine Beispielschaltung für einen Auf-Abwärtswandler mit dem Schaltregler-IC ADP5073.

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Schaltung	Vorteile	Nachteile
Sperrwandler Flusswandler	Galvanische Trennung. Ist ein Transformator vorhanden: kostengünstige negative Spannung.	Höhere Spannungswelligkeit an Eingang und Ausgang. Wird ein Transformator nur für negative Spannung genutzt: · hohe Kosten, · hoher Platzbedarf.
Ladungspumpe	Geringe Kosten, da keine Induktion notwendig ist. Geringer Platzbedarf.	Ausgangstromstärke auf etwa 100 mA begrenzt. Generiert viele Störungen und Rauschen.
Ćuk-Schaltung	Störungsarmer Betrieb.	IC mit negativem Messeingang oder zusätzliche Schaltung zum Wechseln der Polarität nötig. Zwei Induktivitäten oder eine gekoppelte Induktivität notwendig.
Auf-Abwärtswandler mit Abwärtswandler-IC	Höchster Wirkungsgrad. Geringer Platzbedarf. Große Auswahl an Schaltregler-ICs.	Höhere Spannungswelligkeit an Eingang und Ausgang. E/A-Anschlüsse müssen mit der Spannung angepasst werden.
Auf-Abwärtswandler mit speziellem Schaltregler-IC	Höchster Wirkungsgrad. Geringer Platzbedarf. Keine Anpassung der Signale zum Steuern des IC.	Höhere Spannungswelligkeit an Eingang und Ausgang

Vor- und Nachteile der verschiedenen Schaltungen zum Erzeugen negativer Betriebsspannungen aus positiven Betriebsspannungen ohne Berücksichtigung der Regelgeschwindigkeiten.

Die Tabelle zeigt die grundsätzlichen Vor- und Nachteile der verschiedenen Schaltungen zum Erzeugen von negativen Spannungen aus positiven Spannungen. Zwar wurden bei der Betrachtung die Regelgeschwindigkeiten nicht berücksichtigt, doch bietet die Tabelle für die meisten Anwendungen eine gute Hilfe für erste Überlegungen.

Frederik Dostal
arbeitet seit 2009 als Experte für Stromversorgungsschaltungen bei Analog Devices in München. Er schloss sein Studium der Mikroelektronik an der Friedrich-Alexander-Universität in Erlangen im Jahr 2001 ab. Seither arbeitet er in unterschiedlichen Positionen in der Halbleiterindustrie und war in der Zeit auch vier Jahre in Phoenix, Arizona, USA, tätig.
frederik.dostal@analog.com