Power-Tipp Negative Spannungen: Wenn Masse nicht gleich Masse ist

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Analog Devices

Ein invertierender Buck-Wandler zieht seine eigne Masse auf die eingestellte negative Spannung. Somit ist die Referenzmasse nicht mit der Systemmasse verbunden und die beiden Massen haben unterschiedliche Potentiale. Level Shifting gewährleistet hier eine sichere Kommunikation. Was gibt es hier für Möglichkeiten?

Wenn negative Versorgungsspannungen erzeugt werden müssen, ist eine invertierende Buck-Boost-Schaltung beliebt. Sie erzeugt aus einer positiven Spannung eine negative Spannung. Der Betrag dieser Spannung kann einen höheren oder niedrigeren Wert haben als die zur Verfügung stehende positive Spannung. Aus +12 V können also –8 oder auch –14 V erzeugt werden.

Dieser Power-Tipp geht der Frage nach, was bei einer invertierenden Buck-Boost-Schaltung bei den Kommunikationsanschlüssen eines Schaltregler-ICs, also beispielsweise eines Synchronisations- oder Enable-Anschlusses, zu beachten ist und warum Level Shifting benötigt wird.

Der invertierende Buck-Boost-Regler ist eine grundlegende Schaltreglertopologie, bei der nur eine Induktivität, zwei Kondensatoren und zwei MOSFETs als Schalter benötigt werden. Die Ansteuerung der Schalter kann mit jedem Buck-Regler oder Controller erfolgen. Die Auswahl der Bausteine ist dadurch sehr groß.

Bild 1 zeigt die invertierende Topologie mit allen notwendigen Komponenten.

Bild 2 zeigt eine Schaltung mit dem Buck-Regler ADP2386. Wird der Buck-Regler IC für die invertierende Schaltung eingesetzt, liegt die Masseverbindung des ICs an der erzeugten negativen Spannung.

Die ursprüngliche Ausgangsspannung des Buck-Reglers wird mit der Systemmasse verbunden. Der Regler zieht seine eigne Masse auf die eingestellte negative Spannung, wenn die Ausgangsspannung mit der Systemmasse verbunden wird.

Somit ist die Referenzmasse des ICs (GND in Bild 2) nicht mit der Systemmasse verbunden. Beide Massepotenziale sind unterschiedlich. Aus der Masse des Schaltreglers wird die generierte negative Spannung. Alle Anschlüsse des Schaltreglers beziehen sich nun nicht mehr auf die Systemmasse, sondern auf die negative, erzeugte Spannung.

Level Shifting: Die Möglichkeiten

Für eine sichere Kommunikation vom System zum IC und umgekehrt (SYNC, PGOOD, TRACKING, MODE, EN, UVLO und RESET) ist ein Level Shifting notwendig. Bild 2 zeigt eine mögliche Level-Shift-Schaltung mit zwei Bipolar-Transistoren und sieben Widerständen in blau für ein Signal. Diese benötigt Platz, erhöht die Schaltungskomplexität und Kosten. Derartige Level-Shifter müssten für alle oben angeführten Signale implementiert werden.

Besonders aufwändig ist es, wenn ein Schaltregler einen digitalen Bus wie beispielsweise den Power Management Bus, PMBus nutzt. Dann muss der gesamte Bus mit Level Shifting oder einer galvanischen Trennung betrieben werden.

Level Shifting: Die Alternativen

Eine Möglichkeit den externen Schaltungsaufwand zu umgehen, ist der Einsatz eines Schaltreglers, der speziell zum Invertieren von Spannungen konzipiert wurde. Schaltregler, welche Abwandlungen von Buck-Regler-ICs sind, erleichtern die Kommunikation zwischen dem System, also der gesamten elektronischen Schaltung und dem invertierenden Schaltregler. Ein externes Level Shifting wie in Bild 2 wird nicht benötigt.

Bild 3 zeigt den Schaltregler MAX17579, welcher aus einer positiven Spannung eine negative Spannung erzeugt. In Bild 3 ist zu erkennen, dass die Schaltung wesentlich kompakter als die Schaltung von Bild 2 ist.

Um das Regelverhalten und die Potentialunterschiede einer invertierenden Topologie besser zu verstehen, eignen sich Simulationswerkzeuge wie beispielsweise LTspice oder die Design- und Evaluierungsumgebung EE-Sim. Damit lassen sich Level-Shift-Schaltungen entwerfen und optimieren. (kr)

* Frederik Dostal arbeitet als Field Application Engineer für Power Management bei Analog Devices in München.

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