DC-DC преобразователи с отрицательным выходом (Часть 1)
В электронном оборудовании для питания используются преимущественно источники положительного напряжения; иногда также используются некоторые источники отрицательного напряжения. По этой причине решения с преобразователями постоянного тока с отрицательным (или инвертирующим) выходом не так распространены, как их аналоги с положительным выходом постоянного тока. Тем не менее, при питании высокопроизводительных устройств в промышленной автоматизации, автоматизации зданий и системах связи, таких как высокоскоростные ЦАП, операционные усилители, усилители мощности ВЧ, AFE, драйверы затвора на GaN FET и драйверы затвора IGBT, необходимы источники отрицательного напряжения.
Разработчики сталкиваются с большой проблемой при поиске решения для отрицательного напряжения, поскольку для большинства устаревших устройств требуются схемы внешнего сдвига уровня для связи. Они также устарели, неэффективны, сложны и громоздки. В этой статье подробно обсуждаются недостатки устаревших решений, а затем исследуется новое поколение высокоинтегрированных устройств, которые устраняют этот недостаток и предлагают компактное, простое в использовании и высокоэффективное решение DC-DC с отрицательным выходом.
Проблемы с преобразователем постоянного тока с отрицательным выходом
Типичная система питания имеет самый низкий потенциал напряжения в качестве заземления или GND. Для выходного преобразователя DC-DC с положительным выходом опорным заземлением является просто GND (потенциал 0 В). Его входные/выходные сигналы, естественно, связаны с этой землей. Системный контроллер просто и напрямую связывается с преобразователем постоянного тока с помощью контактов ввода/вывода.
Рис. 1. В этой упрощенной схеме системы используются только шины положительного напряжения. Источник: Maxim Integrated
На рисунке 1 показана такая система, в которой системный микроконтроллер (MCU) управляет контактом EN (enable) преобразователя, чтобы включать и выключать его. Контроллер, также, считывает состояние преобразователя через свой вывод PGOOD (т.е. RESET), чтобы узнать, находится ли выходная мощность преобразователя в пределах его регулирования и готова ли к включению всей системы. Для простоты здесь показан только один преобразователь постоянного тока в постоянный, но этот принцип также применим к системе с несколькими шинами положительного напряжения.
Когда используется отрицательный DC-DC, связь с системным контроллером не является тривиальной. Преобразователь имеет вывод ввода-вывода, привязанный к его самому низкому потенциалу напряжения, которое в данном случае является отрицательным выходным напряжением, а не заземлением системы (GND). При использовании шин отрицательного напряжения разработчикам необходимо реализовать схемы сдвига уровня, чтобы системный MCU мог взаимодействовать с преобразователем постоянного тока. На рисунке 2 представлена упрощенная схема системы с двумя переключателями уровня.
Рис. 2. В этой упрощенной схеме системы используются шины отрицательного напряжения. Источник: Maxim Integrated
Опять же, для простоты, здесь показан только один преобразователь постоянного тока с отрицательным выходом, но принцип применим к системам с несколькими шинами отрицательного напряжения или смесью шин положительного и отрицательного напряжения. Для каждого контакта ввода-вывода каждого преобразователя постоянного тока с отрицательным выходом требуется один переключатель уровня.
Схема регулятора уровня имеет большие размеры, что создает трудности для разработчиков. Кроме того, устаревшие решения с отрицательными преобразователями постоянного тока сложны и неэффективны, что создает еще одну проблему.
Задача 1: сдвиг уровня
Рисунок 3 иллюстрирует типичную схему переключателя уровня. Его цель — сдвинуть опорный сигнал заземления сигнала в соответствии с опорным сигналом системного MCU. Здесь он используется для преобразования команды ON от системного MCU для включения/выключения преобразователя DC-DC. Этот переключатель уровня состоит из 9 компонентов. Его работа проста: когда системный контроллер устанавливает высокий уровень ON, включается Q1, который, в свою очередь, смещает Q2 и устанавливает высокий уровень EN, чтобы включить преобразователь DC-DC. Когда ON приводится в низкий уровень, оба Q1 и Q2 выключены, а EN переводится в низкий уровень, чтобы отключить преобразователь.
Рис. 3. Типичная схема переключателя уровня транслирует команду включения от системного контроллера. Источник: Maxim Integrated
На рисунке 4 показан общий вариант схемы переключателя уровня. Здесь он используется для преобразования сигнала PGOOD от преобразователя постоянного тока в постоянный, чтобы системный микроконвертер мог его прочитать. Когда на PGOOD устанавливается высокий уровень (открытый коллектор) преобразователем постоянного тока, включается Q3, который, в свою очередь, смещает Q4 и устанавливает высокий уровень RESET, выводя системный MCU из состояния сброса.
Рис. 4 . Сдвигатель уровня преобразует сигнал PGOOD от преобразователя постоянного тока в постоянный. Источник: Maxim Integrated
Эти два переключателя уровня требуют 18 внешних компонентов, что создает проблему для дизайнеров, пытающихся уместить решение в постоянно сокращающемся оборудовании и пространстве на плате.
Продолжение следует…
Источник www.edn.com