Power-Tipp Vier Möglichkeiten negative Spannungen zu erzeugen

Was ist eigentlich eine negative Spannung? Generell gibt es nur unterschiedliche Spannungspotentiale. Somit kann man auch nur Spannungsunterschiede zwischen verschiedenen Punkten angeben.

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

ROHM Semiconductor GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Analog Devices

Üblicherweise wird jedoch eine Referenzspannung für jedes System festgelegt. Diese liegt häufig auf dem Potential des Nullleiters oder der Erde. Doch wie verhält es sich bei Geräten, welche Batterie-gespeist sind? Hier wird der Batterieanschluss mit dem niedrigeren Potential als virtuelle „Erde“ für das System festgelegt. Eine „negative Spannung“ ist eine Spannung im System, welche ein niedrigeres Potential als die festgelegte Systemmasse hat.

Negative Spannungen sind in den unterschiedlichsten Anwendungen notwendig. Immer wenn Signale bis 0 V gemessen werden sollen, werden Signalpfadkomponenten wie Operationsverstärker, A/D-Wandler sowie D/A-Wandler eingesetzt, welche mit einer bipolaren Spannungsversorgung betrieben werden. Bei solchen Anwendungen muss die Spannungsversorgung für die positive sowie für die negative Spannung mit geringem Rauschen ausgeführt sein.

Es gibt andere Anwendungen für negative Spannungen im Bereich der Biasspannung zum Treiben von IGBTs, optischen Modulen, Displays oder CCD-Kameras. Solche negativen Spannungen werden nur gering belastet und müssen üblicherweise nicht besonders rauscharm oder störungsfrei sein.

Für jeden Einsatz von negativen Spannungen gibt es eine passende Topologie. Bild 1 zeigt die vier unterschiedlichen Hauptgruppen der negativen Spannungserzeugung. Sie können beispielsweise aus einer verfügbaren 3,3-V-Versorgungsspannung –5 V (negativ) in Bezug zur gleichen 0-V-Masse erzeugen. Drei dieser Topologien nutzen Induktivitäten zur Spannungswandlung, eine kommt ohne Induktivität aus. Es ist die Ladungspumpe, welche durch Umschalten von Ladungen auf Kondensatoren eine positive Spannung in eine negative Spannung wandeln kann.

Diese Lösung ist sehr beliebt, da die Schaltung einfach ist, wenig Platz benötigt und geringe Kosten verursacht. Die Nachteile sind ein begrenzter maximaler Strom. Üblicherweise stoßen die meisten Ladungspumpen bei einem Ausgangsstrom von ca. 100 mA an ihre Grenzen. Bei höheren Strömen würden die Schaltungsverluste zu groß und die Spannungswelligkeit an der erzeugten Spannung zu groß werden. Somit werden Ladungspumpen für Anwendungen mit geringem Strombedarf und mit Toleranz für Störungen eingesetzt.

Wenn eine galvanische Trennung gefordert ist, eignen sich Transformator basierte Topologien. Bei gewöhnlichen Leistungen bis 50 W ist dies typischerweise ein Sperrwandler wie in Bild 1 gezeigt. Wenn im System sowieso ein Transformator eingesetzt wird, um andere galvanisch getrennte Spannungen zu erzeugen, kann mit einer einfachen zusätzlichen Wicklung eine negative Spannung erzeugt werden. Diese muss üblicherweise mit einem Linearregler nachgeregelt werden. Dafür wird ein Linearregler eingesetzt, welcher sich für negative Spannungen eignet. Ebenfalls, je nach Anwendungsfall, sollte dieser Linearregler eine gute Dämpfung für Störungen haben und selber nur geringes Rauschen verursachen. Der negative LDO ADP7182 von Analog Devices eignet sich für solche Anwendungen.

Wenn keine galvanische Trennung gefordert ist, sind Transformator basierte Topologien meist zu teuer.

Weiterhin gibt es die invertierende Topologie (Buck-Boost). Sie zählt zu einer der drei Basistopologien neben dem Abwärtswandler (Buck) und dem Aufwärtswandler (Boost). Diese drei Topologien kommen mit einer Induktivität, zwei Schaltern und zwei Kondensatoren aus. Der Unterschied der Topologien entsteht durch die unterschiedliche Lage der Induktivität.

Beim Buck-Wandler liegt die Induktivität zwischen Schaltknoten und Ausgang, beim Boost-Wandler zwischen Schaltknoten und Eingang. Bei der invertierenden Topologie befindet sich die Induktivität zwischen Schaltknoten und Masse. Generell lässt sich eine invertierende Topologie mit einem üblichen Buck-Regler aufbauen. Hierzu ist jedoch ein Levelshifting für Interface-Anschlüsse, wie beispielsweise den „enable“-Pin notwendig.

Besondere Schaltregler wie der ADP5070 sind erhältlich, bei welchen sowohl das Levelshifting als auch die Regelschleifenkompensation für diese Anwendung optimiert sind. Zusätzlich bietet der ADP5070 auch eine Einstellbarkeit der Schaltübergänge für besonders niedriges Störungsverhalten.

Power-Tipp

Positive und negative Spannung mit SEPIC-ĆUK-Wandlern erzeugen

Eine weitere Möglichkeit negative Spannungen sehr rauscharm zu erzeugen ist die ĆUK-Topologie. Hier befinden sich eine Induktivität an der Eingangsseite sowie eine an der Ausgangsseite. Dadurch sind sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsströme kontinuierlich und somit mit nur geringen Störungen behaftet. Trotzdem wird die ĆUK-Topologie nur selten eingesetzt, da zwei Induktivitäten, ein zusätzlicher Koppelkondensator sowie ein Schaltregler mit einem negativen Feedback-Pin bzw. ein Inverter im Feedbackpfad benötigt werden.

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

(ID:43392560)