DC/DC-Wandler Wie sich bipolare Spannungen störungsarm erzeugen lassen

Autor / Redakteur: Frederik Dostal * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Von den verschiedenen Möglichkeiten, positive und negative Versorgungsspannungen zu erzeugen, haben alle Vor- und Nachteile. EIne effiziente und störungsarme Alternative bieten neue Schaltregler ICs.

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Das Evaluation Board ADP5070CP-EVALZ: Mit ihm lässt sich die Funktionalität des DC/DC-Wandlers ADP5070 demonstrieren
Das Evaluation Board ADP5070CP-EVALZ: Mit ihm lässt sich die Funktionalität des DC/DC-Wandlers ADP5070 demonstrieren
(Bild: Analog Devices)

In vielen Anwendungen ist für den Signalpfad sowohl eine positive als auch eine negative Versorgungsspannung notwendig. Damit werden bipolare Operationsverstärker sowie Analog-Digital-Wandler versorgt. Die negative Spannung kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden. Die üblichsten sind eine negative Sekundärwicklung auf einem bereits vorhandenen Transformator, eine Erzeugung mit einer invertierenden Ladungspumpe, eine invertierende ĆUK-Schaltung und die Inverting-Topologie.

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Alle diese Topologien sind altbekannt und werden häufig verwendet. Es gibt jedoch Weiterentwicklungen auf diesem Gebiet, mit denen sich Störungen reduzieren und die Effizienz erhöhen lassen.

Ein Transformator erzeugt die negative Spannung

Die Verwendung eines Transformators zur Erzeugung einer negativen Spannung ist nur sinnvoll, wenn im System aus anderen Gründen bereits ein Transformator vorgesehen ist oder galvanische Trennung gefordert ist. Der Einsatz eines Transformators nur für den Zweck der Generierung einer negativen Spannung ist üblicherweise zu aufwändig und zu teuer.

Bild 1 zeigt, wie eine negative Spannung mit einem bestehenden Transformator für eine 3,3-V-Versorgung erzeugt werden kann. Eine Zusätzliche Wicklung funktioniert gut, hat jedoch auch einige Nachteile. Die Regelung des Sperrwandlers erfolgt auf die generierten 3,3 V. Somit muss die negative Spannung mit einem negativen Linearregler wie dem ADP7182 nachgeregelt werden, wobei relativ hohe Verluste entstehen.

Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz einer Ladungspumpe, mit der sich negative Spannungen recht einfach erzeugen lassen. Ladungen auf Kondensatoren werden dabei mithilfe von Schaltern zu anderen Spannungen hinzufügt. Bild 2 zeigt den Aufbau einer Ladungspumpe, die negative Spannungen erzeugen kann.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 11/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Eine Ladungspumpe benötigt keine Induktivitäten

Die Vorteile einer Ladungspumpe sind, dass es durch diese Methode relativ einfach ist eine negative Spannung zu erzeugen. Es werden keine Induktivitäten benötigt. Es gibt aber auch Nachteile. Die maximale Leistung ist klein und liegt üblicherweise mit 100 mA bei –5 V bei 500 mW. Zudem hat die erzeugte Spannung eine starke Welligkeit. Diese Tatsache erfordert für viele Anwendungen zusätzliche Filterstufen. Für kleine Leistungen ist diese Art der Generierung einer negativen Spannung sehr beliebt.

ĆUK-Topologie generiert wellenarme negative Spannung

Eine sehr elegante Möglichkeit eine negative Spannung zu erzeugen, ist die ĆUK-Topologie (nach Slobodan Ćuk, der die Schaltung 1976 vorstellte). Bild 3 zeigt eine entsprechende Schaltung. Sie generiert eine negative Spannung mit sehr geringer Welligkeit. Dieses Verhalten ist auf die beiden Induktivitäten zurückzuführen: Eine Induktivität ist eingangsseitig und die andere ausgangsseitig angebracht. Dies stellt sicher, dass eine ĆUK-Topologie sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig nur geringe Störungen erzeugt. Nachteilig ist, dass zwei Induktivitäten benötigt werden und dass es nur wenige Schaltregler gibt, die den notwendigen negativen Rückkoppelpfad bieten.

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