Positiv-Negativ-Wandler

Negative Spannungen effizient erzeugen

| Autor / Redakteur: Victor Khasiev / EP Online

Design Note 561
Design Note 561 (Bild: Linear Technology)

Die Palette der Anwendungen, die negative Spannungen benötigen, ist breit. Besondere Anforderungen an den Eingangsspannungsbereich ergeben sich insbesondere in Automotive-Anwendungen, in denen einerseits der Einbruch der Bordnetzspannung beim Kaltstart beachtet werden muss und andererseits hohe Überspannungen zu berücksichtigen sind.

Die Positiv-Negativ-Wandlung, d. h. die Bereitstellung eines invertierten Ausgangs, wird in LCDs, OLED-Displays, Audioverstärkern, industriellen Maschinen, Prozesssteuerungen für die Halbleiterfertigung, Messgeräten, Prüfsystemen, LED-Treibern und Batterieladern häufig eingesetzt. Viele dieser Anwendungen verlangen nach hoher Leistung und erweiterten Eingangsspannungsbereichen und damit nach zwei Eigenschaften, die vom Positiv-Negativ-Controller LTC3896 geboten werden.

Dieser Controller eignet sich speziell für Automotive-Anwendungen, denn er kommt mit sehr hohen Eingangs- und Ausgangsspannungen zurecht (die Gesamt-Spannungsbelastung darf bis zu 150 V betragen), kann MOSFETs mit Standard-Spannungspegeln ansteuern und ist durch eine geringe Ruhestromaufnahme von 40 µA (im Shutdown-Modus nur 10 µA) gekennzeichnet.

Eingangsspannungen in einem weiten Bereich von 7 V bis 72 V werden zu -12 V/5A am Ausgang

Bild 1 zeigt einen Positiv-Negativ-Wandler auf der Basis des LTC3896. Die Lösung liefert aus einer zwischen 7 V und 72 V liegenden Eingangsspannung eine Ausgangsspannung von -12 V bei 5 A. In Automotive-Anwendungen ermöglicht die Eignung des LTC3896 für hohe Eingangsspannungen den Verzicht auf teure, sperrige Überspannungs-Schutzbausteine. Dabei sorgt die niedrig angesetzte Mindest-Eingangsspannung dafür, dass empfindliche Systeme auch unter Kaltstartbedingungen funktionsfähig bleiben.

Der Leistungsteil des Wandlers besteht aus den MOSFETs Q1 und Q2 und der Induktivität L1. Das Ausgangsfilter beruht auf Keramik-Kondensatoren (COX). Der EXTVCC-Pin von U1 ist mit GND verbunden, wodurch an diesem Pin ein Potenzial von 12 V bezogen auf VOUT– erzeugt wird. Wird ein Power-Good-Signal benötigt, sollte eine externe, auf GND bezogene Spannungsquelle verwendet werden. Die Steuerungs- und Schnittstellensignale des LTC3896, nämlich RUN, PGOOD und PLLIN, sind auf die System-Masse bezogen, um in prozessorgesteuerten Systemen ohne Pegelumsetzer auszukommen.

Genauere Einzelheiten über die Richtlinien zum Berechnen der Strom- und Spannungsbelastung der Bauelemente um den LTC3896 herum finden sich im Datenblatt [1]. Für eine elementare Evaluierung lassen sich das Tastverhältnis (D), der durchschnittliche Spulenstrom (IL) und die Spannungsbelastung des MOSFET (VDS) mit den folgenden Formeln berechnen:

Die Demonstrationsschaltung DC2447A [2] verdeutlicht die Vielseitigkeit des LTC3896. Designer können damit die zahlreichen Funktionen dieses Controllers testen, wie etwa die Synchronisation zu einem externen Taktsignal, die Möglichkeit zur Verwendung eines externen Linearreglers, um die thermische Belastung des IC bei hohen Ausgangsspannungen zu verringern, sowie einfache Lösungen für Ausgangsspannungen von -5 V und 3,3 V.

Bild 2 zeigt den Wirkungsgrad bei verschiedenen Eingangsspannungen, während in Bild 3 ein Wärmebild des Wandlers im Betrieb zu sehen ist.

Fazit

Der LTC3896 ist ein hochintegrierter Controller speziell zur Umwandlung positiver Spannungen in negative. Lösungen auf der Basis dieses Controllers sind hocheffizient und weisen eine extrem geringe Ruhestromaufnahme auf, was wichtig für batteriebetriebene Systeme ist. Mit seiner programmierbaren Schaltfrequenz, seinem bis 150 V reichenden Eingangsspannungsbereich und seiner Eignung für Ausgangsspannungen bis -60 V ist der Baustein außerdem sehr vielseitig. Der LTC3896 vereinfacht das Design von Automotive- und Industrie-Stromversorgungen mit auf die Host-Masse bezogenen Steuersignalen.

Literaturnachweis

1. LTC3896: 150V Low IQ, Synchronous Inverting DC/DC Controller.

http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3896f.pdf

2. DC2447A: LTC3896EFE Demo Board|Sync Inverting Controller, 7V ≤ VIN ≤ 72V; VOUT = –12V at 5A.

http://www.linear.com/solutions/7378

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