Полноценное решение для эффективного преобразования отрицательного напряжения в положительное

Введение

Бывают случаи, когда требуется источник питания с положительным выходным напряжением, но самая доступная (или единственная) шина питания выдает только отрицательное напряжение. По сути, операция по преобразованию отрицательного напряжения в положительное используется в автомобильной электронике, схемах смещения для различных аудиоусилителей, а также в промышленном и испытательном оборудовании. Несмотря на то, что питание во многих из этих систем распределяется через отрицательную относительно «земли» шину, для питания логических плат, АЦП, ЦАП, датчиков и подобных устройств по-прежнему необходимы один или несколько источников положительного напряжения. В статье представлена простая и эффективная схема с небольшим количеством компонентов, которая позволяет получить положительное напряжение от шины с отрицательным напряжением.

Описание схемы и принцип преобразования напряжения питания

На рис. 1 показано полноценное решение для эффективного преобразования отрицательного напряжения в положительное, которое основано на топологии повышающего преобразователя. В каскад преобразования напряжения питания входят работающие в режиме ключа полевые МОП-транзисторы, Q1 в нижнем плече, Q2 в верхнем плече, дроссель L1, а также входной и выходной фильтры. Микросхема контроллера повышающего преобразователя стабилизирует выходное напряжение, изменяя состояние полевых МОП-транзисторов, действующих в режиме ключа. Для описания принципа работы данной схемы примем, что «земля» всей системы (SYS_GND) является опорным нулем, относительно которого определяется полярность: отрицательная относительно SYS_GND входная шина –V_IN и положительная относительно SYS_GND выходная шина +V_OUT.

Рис. 1. Электрическая схема преобразователя отрицательного напряжения в положительное.
Диапазон входного напряжения V_IN от –6 до –18 В (–24 В в пике), а выходное напряжение V_OUT составляет +12 В при выходном токе 6 А

Данный преобразователь работает следующим образом. Если транзистор Q1 включен, ток течет от SYS_GND к шине с отрицательной полярностью. При этом транзистор Q2 выключен, а дроссель L1 накапливает энергию в своем магнитном поле. Для завершения периода переключения транзистор Q1 выключается, а Q2 включается. Ток начинает течь от SYS_GND к шине +V_OUT, отдавая нагрузке энергию, запасенную в L1.

Упрощенные схемотехнические представления для выбора компонентов цепи преобразования напряжения

Представленные на рис. 2 топологические схемы демонстрируют принцип работы преобразователя отрицательного напряжения в положительное. В течение первого интервала цикла переключения за период времени, определяемый коэффициентом заполнения, нижний ключ B_SW находится в замкнутом состоянии, а верхний ключ T_SW в разомкнутом. Напряжение на дросселе L равно –V_IN. В течение этого интервала ток в дросселе L увеличивается, создавая на дросселе падение напряжения, соответствующее полярности –V_IN. При этом конденсатор выходного фильтра разряжается, подавая ток на нагрузку системы.

Рис. 2. Топологические схемы преобразователя отрицательного напряжения в положительное

Во втором интервале цикла оба ключа меняют свое состояние — теперь B_SW разомкнут, а T_SW замкнут. Полярность на дросселе L изменяется, и он начинает отдавать ток (запасенный в первом интервале цикла) как на нагрузку, так и на конденсатор выходного фильтра C_OUT. В этой части цикла на дросселе наблюдается соответствующее уменьшение тока. Вольт-секундный баланс дросселя определяет коэффициент заполнения D преобразователя в режиме непрерывной проводимости.

Расчет временных интервалов и электрических параметров компонентов

Далее приведены формулы для расчета временных интервалов и электрических параметров компонентов, применяемых в преобразователе напряжения.

Коэффициент заполнения определяет время включения/выключения силовых ключей:

Среднее значение выходного тока, I_OUT, является входным током:

Пиковое значение тока дросселя определяется как:

Напряжение на работающем в режиме ключа МОП-транзисторе можно вычислить следующим образом:

Средний ток, протекающий через нижний МОП-транзистор, определяется как:

I_Q1 = I_IN×D.

Средний ток, протекающий через верхний МОП-транзистор, можно определить следующим образом:

I_Q2 = I_OUT.

Эти выражения полезны для общего понимания функционирования топологии и для предварительного выбора компонентов преобразователя напряжения. Для окончательного выбора компонентов и проведения детального проектирования конечного устройства используйте средства моделирования и оценки, предоставляемые инструментом LTspice.

Управление преобразователем и функциональность

Измерение выходного напряжения и сдвиг уровня управляющего напряжения осуществляются с помощью токового зеркала на основе PNP-транзисторов Q3 и Q4. Значения сопротивления резисторов в цепи обратной связи зависят от тока цепи обратной связи I_FB (в данной схеме его величина составляет 1 мА):

Здесь V_C — опорное напряжение усилителя ошибки.

Здесь R_FB(T) — резистор для измерения выходного напряжения.

Схема с обратной связью, представленная на рис. 1, является недорогим решением, но на точность дискретных транзисторов могут влиять различия в напряжении база-эмиттер и изменения температуры. Для повышения точности можно использовать согласованные транзисторные сборки.

Управление цепью преобразования напряжения осуществляется посредством контроллера повышающего преобразователя LTC7804. Этот компонент был выбран благодаря его высокому КПД, достигаемому за счет синхронного выпрямления, простоты использования, возможности работы с высокой частотой переключения (в случае необходимости применения как можно более компактного дросселя) и низкого тока покоя.

Результаты испытаний и ограничения топологии

Предложенное решение было тщательно протестировано и проверено. На рис. 3 показано, что КПД остается высоким в широком диапазоне токов нагрузки и достигает 96%. Обратите внимание, что по мере уменьшения абсолютного значения входного напряжения входной ток и ток дросселя возрастают. В определенный момент ток дросселя может превысить максимальный ток (или ток насыщения) дросселя. Кривая снижения выходного тока, демонстрирующая влияние такого эффекта, представлена на рис. 4. В диапазоне входного напряжения от –9 до –18 В максимальный ток нагрузки составляет 6 А, но он начинает снижаться, когда входное напряжение становится выше –9 В. Тепловое изображение работающей платы показано на рис. 5, а фотография самой платы представлена на рис. 6.

Рис. 3. Кривые КПД при входном напряжении –12 В и –18 В при работе преобразователя с естественным конвекционным охлаждением

Рис. 4. Кривая снижения выходного тока при входных напряжениях выше –9 В

Рис. 5. Тепловое изображение работающей платы преобразователя с входным напряжением –12 В и выходным напряжением +12 В с выходным током 6 А при естественном конвекционном охлаждении без воздушного потока

Рис. 6. Фотография платы

Заключение

В статье представлено полноценное решение на основе эффективной и относительно простой схемы, которое позволяет добавить шину положительного напряжения к однополярному источнику питания с входным отрицательным напряжением за счет использования контроллера повышающего преобразователя. Описаны также электрические схемы и расчеты временных и электрических параметров. В результате испытаний было установлено, что данное решение обладает высоким КПД и хорошими тепловыми характеристиками. Помимо этого, применяемая топология повышающего преобразования позволит разработчику использовать предварительно соответствующий техническим условиям контроллер повышающего преобразователя, что сэкономит время и деньги на разработку. И наоборот, создание контроллера повышающего преобразователя, удовлетворяющего требованиям разработки преобразователя отрицательного напряжения в положительное, может обеспечить его предварительное соответствие оборудованию с топологией повышающего преобразования.