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Power-Tipps von TI, Teil 57 Drei einfache Topologien für Split-Rail-Stromversorgungen

Autor / Redakteur: Robert Kollman * / Johann Wiesböck

Wie generieren Sie aus einer einzigen Eingangsspannung eine Split-Rail-Ausgangsspannung geringer Leistung? Beispiele wären die Erzeugung von ±12 V aus 5 V oder von ±5 V aus 12 V. Der vorliegende Power Tipp stellt drei Stromversorgungs-Optionen vor, die dieser Forderung nachkommen.

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Bild 1: Eine Ladungspumpe als Ergänzung zu einem Aufwärtswandler kann eine negative Ausgangsspannung erzeugen.
Bild 1: Eine Ladungspumpe als Ergänzung zu einem Aufwärtswandler kann eine negative Ausgangsspannung erzeugen.
(Bild: TI)

Eine einfache Methode ist in Bild 1 dargestellt. Hier wurden eine Ladungs-pumpe und ein Aufwärtswandler integriert. Während der Aufwärtswandler eine geregelte positive Ausgangsspannung bereitstellt, erzeugt die Ladungspumpe die negative Spannung. Wenn der MOSFET Q1 abschaltet, lädt sich der Kondensator C4 über D4 auf eine Spannung auf, die um einen Dioden-Spannungsabfall über der Ausgangsspannung liegt. Sobald Q1 einschaltet, entlädt sich C4 über D3 an den Ausgangskondensator C3. D1 und D2 fügen einen Dioden-Spannungsabfall zur Spannung an C4 hinzu, um die Spannungs-abfälle an D3 und D4 in der Ladungspumpe zu kompensieren.

Bild 1: Eine Ladungspumpe als Ergänzung zu einem Aufwärtswandler kann eine negative Ausgangsspannung erzeugen.
Bild 1: Eine Ladungspumpe als Ergänzung zu einem Aufwärtswandler kann eine negative Ausgangsspannung erzeugen.
(Bild: TI)
Lässt man D1 weg, so ist die -12-V-Ausgangsspannung vom Betrag her um einen Dioden-Spannungsabfall geringer als die +12-V-Ausgangsspannung. Bei dieser Schaltung muss die Belastung der positiven Ausgangs größer oder gleich der des negativen Ausgangs sein, da sonst am negativen Ausgang eine übermäßige Welligkeit zu beobachten ist. Wird beispielsweise die Last am positiven Ausgang ganz entfernt, stellt die Stromversorgung das Schalten ein, und die Spannung am Ausgangskondensator der negativen Ausgangs fällt bis zum nächsten Schaltzyklus langsam ab.

Auf-/Abwärtswandler-Schaltung mit Buck Controller

Bild 2: Mithilfe einer gekoppelten Induktivität liefert dieser Abwärts-/Aufwärts-Wandler zwei Ausgangsspannungen
Bild 2: Mithilfe einer gekoppelten Induktivität liefert dieser Abwärts-/Aufwärts-Wandler zwei Ausgangsspannungen
(Bild: TI)
Ein alternativer Ansatz mit einer gekoppelten Induktivität ist in Bild 2 zu sehen. Die Schaltung kann über einen weiten Ein- und Ausgangsspannungs-bereich eingesetzt werden. Sie setzt außerdem nicht zwingend voraus, dass die Ausgangsspannung größer als die Eingangsspannung ist. In einer Auf-/Abwärtswandler-Schaltung kommt hier ein Buck Controller mit integriertem FET zum Einsatz. Dieser Controller ist auf die negative Ausgangsspannung bezogen, läuft aber über die Ausgangsdiode D2 an. Sobald sich in der Primärwicklung des Leistungsübertragers ein Strom aufbaut, wird die negative Spannung reduziert.

Geregelt wird in dieser Schaltung die Summe aus der positiven und der negativen Ausgangsspannung. Verglichen mit der Regelung nur einer Spannung sorgt dies für verbesserte Regeleigenschaften. Regelt man nur eine Spannung, kann bei dieser eine hohe Regelgenauigkeit erzielt werden. Bei der anderen Spannung dagegen können Schwankungen um ±10 % auftreten. Das hier gewählte Regeln der Summe beider Spannungen bewirkt bei beiden eine Schwankungsbreite von ±5 %.

Die Tatsache, dass die Rückleitung des Reglers mit dem negativen Ausgang verbunden ist, hat sowohl Vor- als auch Nachteile. Einerseits kann hierdurch der Differenzverstärker entfallen, der notwendig wäre, wenn die Rückleitung mit der Masse verbunden wäre. Andererseits macht dies eine Pegelumsetzung an Signalen wie Power Good und Enable sowie den Takten erforderlich.

Entschieden werden muss beim Design dieser Schaltung ebenfalls, ob sie stets mit einem kontinuierlichen (nicht lückenden) Strom in der Induktivität arbeiten soll. Für den nicht lückenden Betrieb wird D2 sowie möglicherweise auch D1 häufig durch MOSFETs ersetzt, wodurch der Strom während des 1-D-Off-Intervalls in umgekehrter Richtung fließen kann. Wird D1 nicht durch einen FET ersetzt und beträgt das Windungsverhältnis des Übertragers 1:1, so ist die positive Ausgangsspannung vom Betrag her um ungefähr einen Dioden-Spannungsabfall geringer als die negative. Während der höhere Wirkungsgrad und die besseren Kreuzregelungs-Eigenschaften klar für den nicht lückenden Betrieb sprechen, schlagen die höhere Komplexität und die Mehrkosten bei dieser Betriebsart negativ zu Buche.

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