Создание инвертирующего источника питания с понижающим регулятором

Источниками напряжения могут быть батареи для портативных устройств, сетевые источники питания для бытовой электроники, а также шины регулируемого постоянного напряжения для промышленных и телекоммуникационных приложений. Напряжение таких источников, как правило, необходимо понижать. В некоторых случаях, когда используются датчики с двумя выходами, звуковые или инструментальные усилители, сетевые драйверы, приемники и т.д., бывает необходимо преобразовать положительное входное напряжение в отрицательное выходное напряжение. Одним из вариантов решения этой проблемы является встраивание понижающего преобразователя в схему инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя, выходное напряжение которого является отрицательным относительно земли.
Синхронные схемы имеют определенные преимущества перед асинхронными. Например, они характеризуются более высокой эффективностью при низких напряжениях. Синхронные схемы продолжают работать в режиме непрерывной проводимости (CCM) даже при очень низких токах в отличие от асинхронных, которые переходят в режим прерывистых токов (DCM), когда ток через катушку индуктивности приближается к нулю. К недостаткам асинхронных схем в режиме DCM можно отнести большую длительность переходных процессов и необходимость применения для реализации DCM сдвига контура управления с меньшим быстродействием. Использование синхронных схем позволяет избавиться от этих недостатков.
В небольших приложениях оптимальным является применение переключающих схем со встроенными полевыми транзисторами (FET), поскольку это позволяет объединить верхние и нижние MOSFET-ключи в одной интегральной схеме (ИС). Использование устройств со встроенными полевыми транзисторами способствует снижению числа компонентов, размещаемых на печатной плате.

Синхронный понижающий преобразователь состоит из двух ключей и LC-фильтра. Его принцип работы основан на передаче сигнала ШИМ на LC-фильтр. ШИМ-сигнал формируется при помощи двух MOSFET-ключей. LC-фильтр усредняет ШИМ-сигнал и формирует на выходе устройства постоянное напряжение. Принципиальная схема понижающего преобразователя представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема понижающего преобразователя

Выходное напряжение рассчитывается по уравнению (1):

(1)

где V_in — входное напряжение, а D — коэффициент рабочего цикла, определяемый в режиме ССМ как отношение времени открытого состояния верхнего FET-ключа ко всему периоду.
В течение всего периода через катушку индуктивности течет ток нагрузки. Во время открытого состояния верхнего FET-ключа напряжение на катушке равно входному напряжению, которое меньше выходного. При этом катушка индуктивности находится в режиме накопления энергии со скоростью, определяемой уравнением (2):

(2)

Во время закрытого состояния верхнего FET-ключа напряжение на катушке становится равным выходному напряжению, и катушка индуктивности начинает отдавать энергию со скоростью, определяемой выражением (3):

(3)

Знак «минус» означает отрицательный наклон пилообразного сигнала.

Схема инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя, как и понижающего преобразователя, состоит из двух ключей, дросселя и конденсатора. Но в этом случае положение выходных выводов было изменено относительно земли, чтобы получить отрицательное выходное напряжение. На рисунке 2 показана принципиальная схема этого устройства.

Рис. 2. Принципиальная схема инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя

Выходное напряжение такого преобразователя рассчитывается в соответствии с уравнением (4):

(4)

где V_in — входное напряжение, а D — коэффициент рабочего цикла, определяемый в режиме ССМ как отношение времени открытого состояния верхнего FET-ключа ко всему периоду.
Во время открытого состояния верхнего FET-ключа напряжение на катушке равно входному напряжению. При этом катушка индуктивности находится в режиме накопления энергии со скоростью, определяемой уравнением (5):

(5)

В это время ток в нагрузке обеспечивает выходной конденсатор.
Во время закрытого состояния верхнего FET-ключа напряжение на катушке становится равным отрицательному выходному напряжению, и катушка индуктивности начинает отдавать энергию со скоростью, определяемой выражением (3). Знак «минус» означает отрицательный наклон пилообразного сигнала.
В эту часть периода ток в нагрузке определяется катушкой индуктивности. Одновременно с этим происходит перезарядка конденсатора.
При выборе понижающих регуляторов для таких схем следует учитывать несколько моментов:
– для питания платы входное напряжение должно быть выше заданного минимального напряжения для выбранного устройства;
– максимально допустимое выходное напряжение ограничено максимумом Vdev.
Для демонстрации работы схемы инвертирующего повышающе-понижа­ющего преобразователя была изготовлена макетная плата на базе TPS54620 (см. рис. 2). Для питания макетной платы использовалось напряжение 5 В, а с выхода снималось напряжение 5 В при токе 2 А. На рисунке представлены диаграммы сигналов, демонстрирующие работу макетной платы. На рисунке 3 показаны диаграмма сигнала в средней точке между ключами с размахом колебаний –5…5 В. На рисунке 4 показан всплеск напряжения во время переходного процесса в 11,6 мВ, соответствующий скачку тока нагрузки с 0,5 до 1,5 А.

Рис. 3. Диаграмма сигнала в средней точке между ключами

Рис. 4. Всплеск выходного напряжения во время переходного процесса

Рис. 5. Зависимость КПД от тока нагрузки

Рисунок 5 иллюстрирует эффективность схемы инвертирующего повышающе-понижа­ющего преобразователя, а рисунок 6 — его устойчивость при полной нагрузке в 2 А.

Рис. 6. Диаграмма Боде

Существует несколько вариантов понижающих преобразователей типа TPS54620, которые можно применять для создания инвертирующих повышающе-понижающих преобразователей, способных формировать отрицательное напряжение при подаче на их входы положительного напряжения. В документе [1] подробно рассмотрен пример разработки таких схем.