DC-DC преобразователи с отрицательным выходом (Часть 2)
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.
Вызов 2: неэффективность
Устаревшее решение DC-DC с отрицательным выходом неэффективно. Дополнительное тепло, выделяемое из-за неэффективности, создает еще одну проблему для проектировщиков, которые теперь несут дополнительную нагрузку по удалению этого тепла из системы. На рис. 5 представлена упрощенная принципиальная схема такой системы.
Рис. 5. Упрощенная схема несинхронного преобразователя постоянного тока с двумя индукторами и инвертирующим выходом. Источник: Maxim Integrated
Эта топология сталкивается с двумя проблемами неэффективности. Во-первых, в нем используется несинхронное переключение, при котором выходной выпрямительный диод D1 рассеивает больше энергии по сравнению с синхронным решением. Во-вторых, он имеет дополнительный силовой индуктор L1 и дополнительный конденсатор C1, которые также рассеивают больше мощности. На рисунке 6 показана кривая КПД этого преобразователя, измеренная при входном напряжении 12 В и выходе -15 В. Его пиковая эффективность составляет всего 83% при рассеивании примерно 460 мВт при выходном токе 150 мА.
Рис. 6. Кривая потерь мощности показывает эффективность несинхронного преобразователя постоянного тока с двумя индукторами и инвертирующим выходом. Источник: Maxim Integrated
Более компактное и более эффективное решение DC-DC с отрицательным выходом
MAX17577 и MAX17578 синхронные инвертирующий DC-DC понижающие конвертеров были разработаны для удовлетворения растущих потребностей для небольшого и более низких тепловыделяющих устройств в автоматизации производства, автоматизации зданий и системы связи. Устройства объединяют схему переключения уровня для уменьшения стоимости компонентов и их количества, а также используют синхронное выпрямление для повышения эффективности. На рисунке 7 показана их типовая схема применения.
Рис. 7. MAX17579 и MAX17580 — это высокоинтегрированные и эффективные преобразователи постоянного тока с отрицательным выходом. Источник: Maxim Integrated
Эти преобразователи постоянного тока в постоянный имеют широкий диапазон входного напряжения. Устройства работают с входным напряжением от 4,5 до 60 В и могут выдавать выходной ток до 300 мА. Благодаря встроенным переключателям уровня эти устройства экономят до 72% места на плате за счет сокращения вдвое количества компонентов и при этом потребляют на 35% меньше энергии по сравнению с ближайшим устаревшим решением.
Рис. 8 MAX17577 имеет КПД 88,5% при выходном напряжении -15 В. Источник: Maxim Integrated
На рисунке 8 показана пиковая эффективность MAX17577 при 88,5%, измеренная при входном напряжении 16 В и выходе -15 В / 150 мА. Это на 5,5 процентных пункта выше эффективности по сравнению с устаревшим решением, показанным на рисунке 6. Почему эффективность важна? При КПД 88,5% устройство рассеивает всего 292 мВт, обеспечивая при этом мощность 2,25 Вт на нагрузку. А 292 мВт означает на 37% меньше тепла для охлаждения системы по сравнению с 460 мВт у устаревшего решения, показанного ранее.
На Рисунке 9 показана улучшенная версия Рисунка 2 без переключателей уровня. Системный MCU может напрямую связываться с MAX17579 / MAX17580, даже если у них разные точки заземления.
Рисунок 9 На рисунке показан MAX17579 / MAX17580 в системе с шинами отрицательного напряжения. Источник: Maxim Integrated
Также стоит отметить, что с широким диапазоном рабочего напряжения эти новые решения могут выдерживать и выдерживать колебания напряжения системы, такие как скачок напряжения, обратная ЭДС и звон напряжения в кабеле, и, таким образом, повышают надежность системы. Кроме того, существуют MAX17577 и MAX17578, которые относятся к одному семейству с аналогичными характеристиками, но могут обеспечивать выходной ток до 1 А. Эти устройства очень подходят для питания усилителей мощности ВЧ, драйверов затворов на полевых транзисторах с GaN и драйверов затворов IGBT.
Новое поколение высокоинтегрированных устройств
Растущие требования к меньшему размеру решений и меньшему тепловыделению в устройствах для автоматизации производства, автоматизации зданий и систем связи ставят серьезные задачи перед разработчиками, которые ищут преобразователи постоянного тока в постоянный ток отрицательного напряжения, где большинство устаревших решений являются устаревшими, неэффективными, сложными и громоздкими.
Новое поколение высокоинтегрированных устройств со встроенными переключателями уровня, синхронным выпрямлением и широким рабочим входным напряжением представляет собой наиболее компактные, высокоэффективные и надежные решения DC-DC с отрицательным выходом.
Источник www.edn.com