Power-Tipp Sehr saubere negative Spannungen mit Ćuk-Wandlern erzeugen

In diesem Power-Tipp stellen wir eine Möglichkeit vor, wie man mit Ćuk-Konvertern negative Spannungen erzeugen kann. Diese Methode ist gut geeignet für Anwendungen, in denen das Rauschen gering sein soll und die absolute Spannungsgenauigkeit weniger wichtig ist.

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Analog Devices

In vielen Anwendungen werden negative Spannungen benötigt. Häufig werden negative Spannungen für analoge Signalketten verwendet. Meistens basieren diese Signalketten auf empfindlichen kleinen Signalen. Beim Erzeugen der negativen Spannung muss also oft auf geringes Rauschen sowie eine sehr ruhige Spannung geachtet werden.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten eine negative Spannung zu erzeugen:

• Transformatorbasierte Topologien können sehr einfach negative Spannungen erzeugen. Hierfür muss einfach die entsprechende Sekundärwicklung auf die entsprechende Bezugsspannung gehängt werden. Dieses Vorgehen funktioniert sehr gut, beinhaltet eine galvanische Trennung und ist relativ kostengünstig, wenn ohnehin ein Transformator in der Stromversorgung verwendet wird. Ein großer Nachteil besteht darin, dass gerade die üblichen Flyback-Schaltungen sehr hohes Rauschen auf der Ausgangsspannung erzeugen. Dies wird üblicherweise mithilfe eines nachgeschalteten Linearreglers, eingesetzt als Filterstufe, behoben.

• Die invertierende Buck-Boost Topologie wird ebenfalls gerne eingesetzt. Hierbei ist kein Transformator erforderlich. Ein Abwärtswandler IC kann so betrieben werden, dass die ursprüngliche Ausgangsspannung mit der Masse des Systems verbunden wird. Dadurch stellt sich am Masseanschluss des Abwärtswandler ICs eine negative Spannung ein. Dies ist eine einfache Möglichkeit ohne einen Transformator eine negative Spannung zu erzeugen. Der größte Nachteil dieser Lösung ist wieder eine Ausgangsspannung mit einer relativ hohen Welligkeit und Rauschen. Dies ist dadurch begründet, dass in dieser Topologie die Speicherdrossel zwischen dem Schaltknoten und der Systemmasse liegt. Sowohl die Eingangsseite als auch die Ausgangsseite der Schaltung weisen also hohes Rauschen auf.

• Die Ćuk*-Topologie generiert aus einer positiven Eingangsspannung eine negative Ausgangsspannung, während sowohl die Eingangsseite als auch die Ausgangsseite der Schaltung sehr geringes Rauschen aufweisen. Zusätzliches Filtern der Ausgangs- oder Eingangsspannung ist meistens nicht erforderlich.

In Bild 1 ist eine Ćuk-Schaltung zu sehen. Hier wird eine Eingangsspannung von 5 V in eine negative Ausgangsspannung von –10 V gewandelt. Man benötigt zwei Induktivitäten, welche in einem Baustein als Speicherdrossel mit zwei getrennten Windungen ausgelegt sein kann. Diese Variante wird als ‚gekoppelte Ćuk-Topologie‘ bezeichnet. Dadurch benötigt man nur einen induktiven Baustein. Das niedrige Rauschen dieser Schaltung ergibt sich daher, dass sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig eine Induktivität steht. Induktivitäten stellen sicher, dass sich der Strom nur kontinuierlich ändern kann. Diese Eigenschaft führt zu einem sehr geringen Rauschverhalten.

Trotz der beschriebenen Vorzüge eines Ćuk-Spannungswandlers ist er nicht weit verbreitet. Der wohl entscheidendste Grund für die geringe Anwendung dieser Topologie bei der Generierung einer negativen Spannung ist die Tatsache, dass ein Schaltregler mit negativem Feedback-Pin benötigt wird. Man greift entweder auf einen der wenigen ICs auf dem Markt zurück, welche negative Feedbackpins haben, oder aber man setzt einen Operationsverstärker als Spannungsinvertierer in den Feedbackpfad. Dieser zusätzliche Baustein kann aber die Genauigkeit der Ausgangsspannung beeinflussen.

Für Anwendungen, bei denen die absolute Spannungsgenauigkeit weniger wichtig als ein niedriges Rauschen ist, eignet sich eine solche Ćuk-Schaltung hervorragend.

Analog Devices hat ein Berechnungswerkzeug erstellt, mit dem Ćuk-Schaltungen einfach entworfen und dimensioniert werden können. Dieses Werkzeug kann kostenfrei und ohne Registrierung heruntergeladen werden. Nach Eingabe der Spezifikation wird eine optimierte Schaltung berechnet und eine Stückliste mit echten externen Komponenten wird vorgeschlagen. Neben Effizienzberechnungen wird auch das Stabilitätsverhalten der Regelschleife anhand eines Bode-Diagramms erläutert.

Abschließend sei noch erwähnt, dass das absolute Rauschen bei jedem Schaltregleraufbau sehr stark von der Optimierung des Platinenlayoutes, der Umschaltgeschwindigkeit der Schalter, Leistungsklasse sowie Wahl der externen Komponenten abhängt. Dennoch ist die ausgewählte Schaltreglertopologie Grundlage für das spätere Rauschverhalten.

*Die Bezeichnung Ćuk-Wandler ist auf den Namen des Erfinders Slobodan Ćuk zurückzuführen, der die Schaltungsidee 1976 zusammen mit Robert D. Middlebrook vorstellte [1].

[1] Middlebrook, R. D.; Ćuk, S.: A general unified approach to modelling switching-converter power stages. In: Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference, June 8 - 10, 1976, Cleveland, OH. 1976, S. 73–84

* * Frederik Dostal ist bei Analog Devices in München für Power Management in Industrieanwendungen zuständig.

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