Меню

Микросхемы с отрицательным питанием

Линейный стабилизатор отрицательного напряжения со сверхнизким уровнем шума и сверхвысоким PSRR

Архитектура микросхемы линейного стабилизатора LT3094, основанная на опорном токе и применяемая в системах с переменным выходным напряжением, позволяет контролировать уровень шума и производительность PSRR независимо от уровня выходного напряжения.

Линейные стабилизаторы с малым падением напряжения (LDO) широко используются в чувствительных к шуму устройствах на протяжении десятилетий. В то же время современные требования к уровню шума становятся все более жесткими. Новейшие прецизионные датчики, высокоскоростные АЦП и ЦАП с высоким разрешением, а также синтезаторы частоты (ФАПЧ/ГУН) требуют от обычных стабилизаторов LDO обеспечения сверхнизкого уровня шумов на выходе и сверхвысокого коэффициента подавления пульсаций питания (PSRR).

Например, при питании датчика шум источника напрямую влияет на точность результата измерения. Импульсные стабилизаторы часто используются в системах распределения электроэнергии для достижения более высокой общей эффективности системы. При разработке бесшумного источника питания стабилизаторы LDO обычно выполняют роль пострегулятора выходного сигнала относительно шумного импульсного преобразователя, что позволяет отказаться от использования громоздких выходных фильтрующих конденсаторов. В этом случае высокочастотный показатель PSRR стабилизатора LDO становится важной характеристикой.

LT3042, представленный в 2015 году, стал первым в отрасли линейным стабилизатором со среднеквадратичным выходным шумом 0,8 мкВ и PSRR 79 дБ на частоте 1 МГц. Две похожие микросхемы, — LT3045 и LT3045-1, — обладают еще более эффективными показателями PSRR и дополнительными функциями. Все эти микросхемы являются LDO-стабилизаторами положительного напряжения. Если в системе имеются биполярные элементы, например, операционные усилители или АЦП, в конструкции источника питания знакопеременной полярности должен использоваться LDO-стабилизатор отрицательного напряжения. LT3094 заявлен как первый LDO-стабилизатор отрицательного напряжения со сверхнизкими показателями уровня шума на выходе и сверхвысоким коэффициентом PSRR. В таблице 1 перечислены основные характеристики LT3094 и связанных с ним элементов.

Таблица 1. Характеристики LT3094 и прочих LDO-стабилизаторов с малым уровнем шума

Наименование LT3015 LT3090 LT3042 LT3045-1 LT3094
Выход Отрицательный Отрицательный Положительный Положительный Отрицательный
Ток на выходе, А 1,5 0,6 0,2 0,5 0,5
Уровень шума на выходе при 0,01…100 кГц, мкВ 60 18 0,8 0,8 0,8
Уровень шума при 10 кГц, мкВ/ÖГц 240 57 2 2 2
PSRR при 1 МГц, дБ 30 20 79 76 74
Программируемый предел тока + + + +
Программируемая корректность уровня выходного напряжения + + +
Управление входным и выходным напряжением + +
Поддержка параллельности + + + +
Возможность быстрого запуска + + +

Стандартное применение

LT3094 содержит прецизионный источник опорного тока, за которым расположен высокопроизводительный выходной буфер. Отрицательное выходное напряжение устанавливается с помощью опорного тока −100 мкА, протекающего через один резистор. Такая архитектура на основе опорного тока позволяет получить широкий диапазон выходного напряжения (0…−19,5 В) и обеспечивает практически постоянный уровень выходного шума, PSRR и стабилизацию выходного напряжения вне зависимости от его запрограммированного значения. На рисунке 1 показана стандартная схема применения компонента, а на рисунке 2 — демонстрационная плата. Размер решения составляет всего лишь 10×10 мм.

Рис. 1. Решение с низким уровнем шума при выходном напряжении -3,3 В

Рис. 2. Демонстрационная плата миниатюрного решения на -3,3 В

LT3094 обеспечивает сверхмалый уровень шума на выходе — 0,8 мкВ среднеквадратичного значения в частотном промежутке от 10 Гц до 100 кГц, и сверхвысокий коэффициент PSRR — 74 дБ при 1 МГц. Кроме того, LT3094 позволяет задавать предел уровня тока, порог уровня выходного напряжения, обладает возможностью быстрого запуска и функцией программируемого управления входным и выходным напряжением (VIOC). Когда LT3094 стабилизирует напряжение на выходе импульсного преобразователя, то при изменении выходного напряжения стабилизатора LDO напряжение на стабилизаторе LDO остается постоянным за счет работы функции VIOC.

LT3094 предотвращает повреждения благодаря внутренней защите, в том числе внутреннему ограничению тока с обратной связью, ограничению по тепловой нагрузке, обратному току и обратному напряжению.

Прямое распараллеливание для повышения уровня тока

Стабилизатор LT3094 может быть подключен параллельно для увеличения выходного тока. На рисунке 3 показано решение с использованием двух LT3094, подключенных параллельно, для достижения значения выходного тока 1 A. Для параллельного подключения двух микросхем контакты SET следует соединить друг с другом, а между контактом SET и землей необходимо поместить резистор RSET. Ток, протекающий через RSET, составляет 200 мкА, что вдвое больше значения тока SET на одном элементе. Для лучшего распределения тока на выходе каждого LT3094 устанавливается небольшой балластный резистор 20 мОм.

Читайте также:  Анкета по питанию для пожилых людей

Рис. 3. Схема двух параллельных LT3094

На рисунке 4 показаны тепловые характеристики схемы, представленной на рисунке 3, со входным напряжением –5 В и выходным напряжением –3,3 В при токе нагрузки 1 А. Температура каждой части поднимается примерно до 50°C, что свидетельствует о равномерном распределении тепла. Ограничений на количество микросхем, которые могут быть подключены параллельно для получения высокого выходного тока и низкого уровня шума, нет.

Рис. 4. Тепловое изображение двух параллельных LT3094

Источник двухполярного питания с переменным выходным напряжением

Блок питания обычно состоит из импульсного преобразователя, выходной сигнал которого стабилизируется LDO-стабилизатором для достижения низкого уровня выходного шума и высокой эффективности системы. Оптимизированная разность напряжений между входом и выходом стабилизатора LDO составляет около –1 В, что позволяет поддерживать оптимальный баланс между рассеиванием мощности и PSRR. В системе с переменным выходным напряжением становится сложно поддерживать такую разность напряжений, однако LT3094 имеет функцию отслеживания (VIOC), которая позволяет поддерживать постоянное напряжение на стабилизаторе LDO даже при изменении выходного напряжения.

Рис. 5. Регулируемый двухполярный источник питания отличается высокой степенью подавления пульсаций и низкой температурой работы

На рисунке 5 показана схема двухполярного источника питания с использованием LT8582, LT3045-1 и LT3094. Микросхема LT8582 представляет собой двухканальный ШИМ-преобразователь постоянного тока со встроенными ключами, который может генерировать как положительное, так и отрицательное выходное напряжение от одного входного сигнала. Первый канал LT8582 сконфигурирован как SEPIC для генерации положительного выходного напряжения, а второй играет роль инвертирующего преобразователя для создания отрицательной шины. На отрицательной шине напряжение на LT3094 контролируется напряжением VIOC (формула 1):

где VFBX2 = 0 мВ, а IFBX = 83,3 мкА. При выборе сопротивления R2 номиналом 14,7 кОм напряжение VIOC устанавливается на уровне на 1,23 В выше переменного выходного напряжения. Резистор R1 (со значением 133 кОм) ограничивает входное напряжение LT3094 до 16,5 В, что определяется по формуле 2:

Тепловые изображения схемы, работающей при величине входного напряжения в 12 В, показаны на рисунке 6.

Рис. 6. Тепловое изображение двухполярного источника питания со входным напряжением 12 В

При изменении выходного напряжения с ±3,3 В до ±12 В температура LT3094 остается постоянной. В таблице 2 перечислены напряжение и ток для всех трех микросхем. На рисунке 7 показана переходная характеристика источника питания ±5 В при входном напряжении 12 В.

Таблица 2. Характеристики цепи двухполярного источника питания со входным напряжением 12 В при нагрузке ±500 мА

VLDO(OUT), В VLDO(IN), В VDROP, В Рост температуры LT3094, ºС IIN, А Эффективность системы, %
±3,3 ±4,55 1,25 8 0,48 57
±5 ±6,25 1,25 8 0,65 65
±12 ±13,22 1,22 9C 1,25 78


Рис. 7. Переходная характеристика двухполярного источника питания с входным напряжением 12 В и выходным напряжением ± 5 В

На рисунке 5 показано, что размещение дополнительных конденсаторов на входе LT3094 не требуется (необходимы лишь выходные конденсаторы LT8582). Как правило, входной конденсатор уменьшает пульсации на выходе, однако в случае с LT3094 ситуация выглядит по-другому.

Если на входе LT3094 разместить конденсатор, то, проходя через такой входной конденсатор, переключающие токи от импульсного преобразователя приведут к возникновению индуктивной связи между импульсным преобразователем и выходом LT3094. Уровень шума на выходе увеличится, что снизит показатели PSRR. При условии, что импульсный стабилизатор располагается не далее пяти сантиметров от LT3094, для достижения наилучших характеристик PSRR рекомендуется не размещать конденсатор на входе LT3094.

Читайте также:  Картотека блюд по лечебному питанию самсонов

Заключение

Микросхема LT3094 представляет собой LDO-стабилизатор отрицательного напряжения, обладающий сверхмалым уровнем шума и сверхвысоким коэффициентом PSRR. Архитектура микросхемы на основе опорного тока позволяет контролировать уровень шума и характеристики PSRR независимо от уровня выходного напряжения, что также дает возможность подключать несколько LT3094 параллельно для увеличения тока нагрузки и снижения выходного шума. Функция управления входным и выходным напряжениями (VIOC) минимизирует рассеяние мощности стабилизатора LDO в процессе стабилизации выходного сигнала импульсного преобразователя, что делает LT3094 идеальным решением для применения в системах с переменным выходным напряжением.

Источник

Получаем отрицательное напряжение

Иногда в радиолюбительской практике нужно иметь кроме основного источника питания, имеющего минусовой общий провод, второй источник питания с плюсовым общим проводом, т.е. двухполярное питание, например, для питания ОУ. Для этого нужен дополнительный источник питания, плюсовой провод которого соединён с общим проводом (минусовым) вашего устройства. Каждый решает такую задачу по-своему, обычно это либо дополнительная обмотка\выпрямитель трансформатора, либо вообще отдельный источник питания. Мне было лень заниматся этим, поэтому я сделал минусовое питание из плюсового с помощью недорогой и широкораспространённой LM2576.

Итак, нам понадобится всего несколько деталей:

  1. Собственно сама LM2576
  2. Два электролита на вход и выход
  3. Диод Шоттки на , например 1N5819
  4. Индуктивность примерно на 100. 300мкГн 1а
  5. Пара резисторов если LM2576-adj
  6. Парочка керамических конденсаторов на 0,1мкФ
  7. Возможно ещё керамика 0,1. 0,01мкФ, если ваша разводка окажется настолко неудачной, что схема начнёт самовозбуждатся и переводить потребляемую энергию в тепло.

В итоге вы получите источник отрицательного напряжения с общим плюсовым проводом, способный выдать ток до 700мА и напряжением в диапазоне от 1,23в до примерно 20в с защитой от перегрузок по току и от перегрева кристалла.

Почему 2576 ? Потому что я полюбил этот чип за надёжность, низкую стоимость, простоту и удобство.

Ничего изобретать не понадобится, в даташите на LM2576 есть вся необходимая информация, открываем: http://www.national.com/ds/LM/LM2576.pdf и находим на 18й странице нужную нам схему.

Немного на мой взгляд неудачно у них нарисовано, поэтому сделаем зелёным.

Как видите это инвертирующий преобразователь, по буржуйски inverting buck-boost.

Ключ замыкается (биполярный транзистор, коллектор которого — это 1-й вывод LM2576, эмиттер — 2-й вывод), энергия запасается в сердечнике дросселя, затем ключ размыкается, и накопленная энергия через диод шоттки уходит в выходной электролит, цикл повторяется, пока цепь обратной связи не даст команду сбавитьобороты.

Цепь обратной связи (ОС) состоит из делителя R1, R2 для adj-версии микросхемы, а для версии с фиксированным выходным напряжением вывод 4 сразу сажаем на анод диода. Для версии с внутренним делителем, которую мы вдруг захотим включить на большее выходное напряжение, учитываем, что сопротивление внутреннего R2 равно:

3.3V R2 = 1.7k
5V, R2 = 3.1k
12V, R2 = 8.84k
15V, R2 = 11.3k

Выходное напряжение, как обычно, считаем по формуле Uвых = ((R2\R1)+1)*1,23, где 1,23 — это напряжение источника опорного напряжения.

Для R2 = 2 кОм, R1 = 240 рассчётно получается 11,48 в с учётом погрешности (в моём случае получилось 11,4в).

Для тех кто хочет спросить почему на выходе только 700мА, ведь в даташите написано микросхема обеспечивает , отвечу заранее: согласно даташиту ток ключа ограничивается внутренней схемой на уровне примерно 5,8а, а пиковый ток ключа в нашем обратноходовом преобразователе считается по формуле:

если после такого расчёта ваш мозг не аннигилировал в другое измерение то продолжим.

Короче, чтобы не хавать ваш мозг, пиковый ток обратнохода можно примерно прикинуть по формуле: Iпик = 5,5*(Pout)\Vin, где Pout — выходная мощность. Как видите, чем меньше входное напряжение, тем больше пиковый ток, поэтому крайне не рекомендую питать схему от источника менее 10в (даташит говорит что минимальный «drop» равен 4,7в, т.е. при выходном 12,7в минимальное входное будет 8 вольт, если меньше то выходной ключ открывается. а его нагрузка по постоянному току дросель. со всеми вытекающими)

Читайте также:  Питание для поднятия почки

Ладно, хватит мудрёных формул, ближе к делу. У меня получилась платка размером 15х34 мм, нарисовал в спринте вот так:

Резисторы делителя 1206, электролиты диаметром 12. 13мм, дроссель намотал на колечке Т60 из 52-го материала, особо не думая о количестве витков, просто намотал в 4 жилы проводом 0,3. 0,4мм до заполнения, получилось примерно 70..80 витков (200. 250мкГн)

Ну а дальше как обычно, в путь: стеклотекстолит, утюг, хлорное железо, паяльник.

Источник



Модуль отрицательного напряжения на ICL7660S

Модуль отрицательного напряжения для беспаячной макетной платы

Приобретая беспаячную макетную плату, я заодно купил и модуль стабилизаторов к ней на +5 и +3,3 В. С модулем стабилизаторов можно ознакомиться в статье «Стабилизатор на AMS 1117». Все хорошо, но явно не хватает отрицательного напряжения для моделирования схем, требующих двухполярного питания.

Для этих целей хорошо подошел бы DC-DC конвертор, но хотелось чего то попроще. Вспомнил про микросхему КР1168ЕП1 и ее аналог ICL7660. Благо, что микросхеме ICL7660 в журнале «Радио» посвящено несколько статей. [1], [2], [3]. Осталось только к основному модулю стабилизаторов добавить модуль отрицательного напряжения на микросхеме ICL7660 и купить саму микросхему. Ее стоимость на Aliexpress составляет порядка 10 рублей. Полностью статьи из журнала можете прочитать сами, скачав их из сети, а я повторяться не буду и приведу лишь выдержку из одной из них.

«Специализированные микросхемы серии 7660, предназначенные для построения преобразователей напряжения на коммутируемых конденсаторах, известны уже давно и применяются чаще всего в маломощных источниках питания для преобразования полярности напряжения (из положительного в отрицательное). Такие микросхемы выпускаются разными производителями, в том числе и отечественными (КР1168ЕП1), и с различными названиями. Наиболее распространены микросхемы серии ICL7660 фирмы Intersil. Основными достоинствами преобразователя напряжения на этой микросхеме, по мнению автора (РАДИО № 3. Стр. 35 2015 г. С. ГЛИБИН, г. Москва), являются:
а. высокий КПД на малых токах нагрузки (до десятков миллиампер);
б. малый собственный ток потребления (десятки микроампер);
в. отсутствие накопительного дросселя»
Схема преобразователя полярности приведена на рисунке 1.

Схема, кроме самой микросхемы, имеет еще всего два внешних элемента – два электролитических конденсатора. По моим задумкам схема уместится на небольшой платке с разъемом на два контакта. Через этот разъем платка будет соединяться с основным модулем, показанным на фото 1. Полагаю, что и держаться она будет за счет этого разъема, так как вес собранной платки будет не значительный.

+5 В, это напряжение с основного модуля будет подаваться на плату отрицательного напряжения. Выходное отрицательное напряжение через верхний контакт Out будет подаваться на макетную плату. Контакт Out верхний и контакт Out нижний соединены печатной дорожкой. Для большего понимания моей задумки обязательно посмотрите схему этого модуля в статье «Стабилизатор на AMS 1117». От платки должен идти еще один проводник к контакту Gnd, это общий провод. Теперь все, мы имеет с модуля три напряжения — +5,0 В, +3,3 В и -4,5В. Источник напряжения -4,5 В может отдавать в нагрузку несколько десятков мА. Таких напряжений и токов вполне достаточно для моделирования схем на основе современной элементной базе. Это моя задумка и, наверное, вы сделаете это быстрее меня, если не жалко, то можете поделиться рисунком печатной платы. Кстати ICL7660 имеет и SMD исполнение. Успехов. К.В.Ю.

1. Получение удвоенных двухполярных напряжений в преобразователе на микросхемах серии ICL7660 С. ГЛИБИН, г. Москва РАДИО № 3. 2015
2. Питание мультиметра М-832 от двух аккумуляторов С.ГЛИБИН,г.Москва РАДИО № 6. 2014
3. Вольтметр среднеквадратичных значений — приставка к мультиметру С.ГЛИБИН, г. Москва РАДИО № 4. 2015

Источник