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.

Inverting-Topologie braucht nur wenige Komponenten

Eine Inverting-Topologie kann eine negative Spannung mit nur einer Induktivität erzeugen. Bild 4 zeigt eine solche Schaltung. Sie gehört zu einer der drei grundlegenden Schaltreglertopologien, die neben einem Eingangs- und Ausgangskondensator mit nur jeweils einem Schalter, einer Diode und einer Induktivität auskommt. Zu dieser Gruppe gehören der Abwärtswandler (Buck) der Hochsetzsteller (Boost) sowie die Inverting-Topologie. Somit hat der Inverting-Regler nur einen geringen Bauteilebedarf und hat eine generell hohe Leistungseffizienz.

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Praktisch kann für eine Inverting-Schaltung ein beliebiger Buck-Regler oder -Kontroller verwendet werden. Er wird so betrieben, dass der Masseanschluss des Buck-Reglers zur negativen Ausgangsspannung wird. Dies funktioniert gut, bringt jedoch weitere Auswirkungen mit sich. Dadurch haben die Interface-Pins des Buck-Reglers, beispielsweise Soft-Start, Enable, Frequenzeinstellung und ähnliches keinen Systemmassebezug mehr, sondern Bezug zur erzeugten negativen Spannung, also zum Masseanschluss des Schaltreglers. Dies kann eine zusätzliche Schaltung zum Umsetzen von Signalspannungen erfordern.

Doppel-Schaltregler-IC optimiert die Schaltung

Eine sehr geschickte Möglichkeit eine negative Versorgungsspannung zu erzeugen, ist die Verwendung eines integrierten Stromversorgungsbausteins. Bild 5 zeigt eine solche Schaltung mit dem Schaltregler IC ADP5070 von Analog Devices. Er besteht aus zwei voneinander getrennten DC/DC-Wandlern, die aus einem Eingangsspannungsbereich von 2,85 bis 15 V sowohl eine positive als auch eine negative Spannung erzeugen.

Die positive wird mit einer Boost-Topologie erzeugt und kann bis 39 V betragen, die negative wird mit der Inverting-Topologie erzeugt und kann bis auf bis zu –39 V eingestellt werden. In den meisten Systemen geht man davon aus, dass, wenn eine negative Spannung gebraucht wird, auch eine positive Spannung notwendig ist. Somit ist es vorteilhaft, beide Schaltregler in einem IC zusammenzufassen.

Diese Integration hat neben einem geringen Platzbedarf weitere Vorteile. So sind die Schaltfrequenzen der beiden getrennten Schaltregler in diesem einen IC mit einem Phasenversatz synchronisiert. Das hilft, die von dem Schaltregler erzeugen Störungen, zu minimieren. Wie bei einer invertierenden Topologie üblich, kann der Betrag der negativen Ausgangsspannung größer oder kleiner sein, als die Eingangsspannung selber (Buck-Boost).

Die positive Ausgangsspannung des ADP5070 kann ebenfalls größer oder kleiner sein als die Eingangsspannung. Hierfür kann der Regler in einer üblichen ‚Boost‘-Topologie als auch in einer ‚SEPIC‘-Topologie betrieben werden. Die Regelschleife ist so ausgelegt, dass beide Betriebsarten zulässig sind.

Ein integrierter Schaltregler bietet viele Möglichkeiten

Der integrierte Schaltregler für die Inverting-Topologie beinhaltet automatische Spannungsanpassungen für alle Interface Anschlüsse. Somit können beispielsweise Signale zum Ein- und Ausschalten, oder zum Einstellen der Schaltfrequenz, einen Systemmassebezug haben und müssen nicht, wie bei der Inverting-Topologie allgemein üblich, mit Spannungsumsetzern angepasst werden. Es sind unterschiedliche Arten der Einschaltung vorgesehen.

Entweder ein gleichzeitiges Anlaufen der positiven und der negativen Ausgangsspannung oder ein sequentielles Anlaufen, wobei eine Spannung erst eine gewisse Schwelle (ca. 85%) der eingestellten Ausgangsspannung erreichen muss, bevor die andere Spannung aktiviert wird. Neben der flexiblen Anlaufmöglichkeit kann die Anlaufgeschwindigkeit jeweils getrennt mit einem eigenen Soft-Start eingestellt werden.

Um eine kleine Bauform der Stromversorgung zu ermöglichen, ist die Schaltfrequenz bis 2,4 MHz einstellbar und bis 2,6 MHz mit einem externen Takt synchronisierbar. Diese sehr hohen Schaltfrequenzen ermöglichen die Verwendung von kleinen und kostenoptimierten Induktivitäten. Zudem hilft der hohe Freiheitsgrad der Schaltfrequenz dabei, erzeugte Störungen auf Frequenzbereiche zu setzen, bei denen das System besonders wenig gestört wird.

Wie sich sehr störungsarme Spannungen erzeugen lassen

Viele Anwendungen, die negative Versorgungsspannungen benötigen, müssen mit störungsarmen Spannungen versorgt werden. Ein Beispiel ist der Signalpfad einer messtechnischen Anwendung. Hier benötigt ein bipolarer Operationsverstärker oder auch die bipolare Eingangsstufe eines Analog Digital Umsetzers sowohl eine positive als auch eine negative Versorgungsspannung.

Schaltregler erzeugen eine gewisse Ausgangsspannungswelligkeit, die mit einem guten Ausgangskondensator mit niedrigem ESR (Equivalent Series Resistance) und hohem Kapazitätswert sowie einer großen Induktivität minimiert werden kann. Darüber hinaus helfen zusätzliche Filterstufen, beispielsweise mit einem LC-Filter oder einem Linearregler.

Ein größeres Problem sind üblicherweise die von den Schaltübergängen erzeugten Störfrequenzen. Sie werden generiert, indem ein Stromfluss in nur wenigen Nanosekunden geschaltet wird. Vorhandene parasitäre Induktivitäten im geschalteten Stromlaufpfad erzeugen bei schnellem Schalten, hochfrequente Spannungsspitzen, die sich leicht in der gesamten Schaltung verbreiten. Die parasitäre Induktivität kommt beispielsweise von den Leiterbahnen auf der Platine oder auch von den Gehäusen der verwendeten Bauteile.

Beim Entwurf der Stromversorgung ist darauf zu achten, die AC-Strompfade, also die Leiterbahnen, auf denen der Stromfluss in einer Stromversorgung im Betrieb an- und abgeschaltet wird, so kompakt wie möglich auszuführen. Dies minimiert die parasitäre Induktivität und reduziert die von den Schaltübergängen erzeugten Störungen.

Wenn ein optimiertes Platinenlayout erstellt wurde und es trotzdem zu Störungen kommt, kann passende Abhilfe sehr aufwändig sein. Diese Tatsache ist bei Entwicklungen besonders unangenehm, da Störungen häufig erst sehr spät im Entwicklungsprozess bemerkt werden. Dann ist es meist mit hohem Kosten- und Zeitaufwand verbunden, Abhilfe zu schaffen.

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Schaltübergänge lassen sich um zwei Stufen verlangsamen

Der ADP5070 hat eine wertvolle Funktion integriert, die zum Reduzieren von Störungen erheblich beitragen kann: Für eine hohe Leistungseffizienz können die Schaltübergänge sehr schnell ausgelegt werden. Sollte es im Laufe der Systementwicklung zu Problemen bezüglich Störungen kommen, lassen sich die Schaltübergänge um zwei Stufen verlangsamen. Dies reduziert zwar die Leistungseffizienz durch höhere Schaltverluste, reduziert aber auch die durch die Schaltübergänge generierten Störungen. Bild 6 zeigt die Auswirkung auf die Schaltflanken bei unterschiedlichen Einstellungen.

Wenn der SLEW-Pin mit VREG verbunden wird, ist die mittlere Schaltgeschwindigkeit ausgewählt. Ein schnelleres Umschalten für höchste Leistungseffizienz wird erreicht, wenn der SLEW-Pin mit keiner Leitung verbunden wird. Um die geringsten Störungen zu erhalten wird der SLEW-Pin mit Masse verbunden.

Diese Einstellmöglichkeit schafft nicht nur ein optimiertes System in Bezug auf Leistungseffizienz und EMV-Verhalten, sondern es beruhigt die Nerven eines Entwicklers ungemein.

* Frederik Dostal arbeitet als Power Management Experte bei Analog Devices in München.

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