Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PLC Fatek
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Trzy najlepsze sposoby na zasilanie symetryczne z pojedynczej linii

ghost666 05 Sty 2017 21:54 4008 0
  • Trzy najlepsze sposoby na zasilanie symetryczne z pojedynczej linii
    Aplikacje audio, analogowe tory sygnałowe czy sensory analogowe - wszystkie te układy pracują najlepiej przy zasilaniu symetrycznym, czyli z dwoma liniami i masą. Jedna linia zasilania z napięciem dodatnim (względem masy) a druga ujemnym (względem masy).

    Przy takim zasilaniu przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) osiągają swój optymalny zakres dynamiki, a wzmacniacze operacyjne pracują w pełni rail-to-rail. Dodatkowo tor analogowy zasilany symetrycznie odizolowany jest od szumu masy, co jest nie bez znaczenia np. w precyzyjnych układach pomiarowych.

    W poniższym artykule opisano trzy sposoby jakimi posłużyć się można, jeśli chcemy w układzie zasilanym pojedynczym napięciem zasilającym wygenerować zasilanie symetryczne do zasilania części lub całego systemu. W tabeli pokazanej poniżej zebrano podsumowanie jak ocenić można - w różnych kategoriach - trzy architektury jakie wykorzystać można do uzyskania symetrycznego zasilania z pojedynczej linii. W dalszej części artykułu znajdziemy omówienie każdej z metod na uzyskanie napięcia symetrycznego.

    TopologiaDyskretna - wirtualna masaImpulsowe (cewka)Impulsowe (kondensator)
    Rozmiar układuDobrzeŚrednioDobrze
    Maksymalny prądŹleDobrzeŚrednio
    Koszt układuDobrzeŚrednioDobrze
    Precyzja napięciaŹleDobrzeDobrze
    Szum i zniekształcenia w zasilaniuDobrzeŚrednioDobrze
    SprawnośćŹleDobrzeŚrednio
    ZłożonośćDobrzeŚrednioDobrze


    Wirtualna masa

    Pierwszym i najprostszym sposobem jest stworzenie wirtualnej masy za pomocą dzielnika napięcia. Ogromną wadą takiego układu jest to, że już przy niewielkim poborze prądu układu dzielnik przestaje być zbalansowany, a napięcia na wyjściu układu przestają być równe co do wartości bezwzględnej. Aby rozwiązać ten problem zaimplementować można driver masy, który istotnie zwiększy wydajność prądową układu. Na rysunku 1 zaprezentowano przykładowy układ tego typu oparty na wzmacniaczu operacyjnym TLE2426. Op-amp pełni rolę drivera linii masy, dzięki czemu jej potencjał jest stabilniejszy w szerszym zakresie prądów zasilania. Niestety nadal, użyteczny zakres prądów jaki pobrać można z takiego układu to kilkadziesiąt miliamperów.





    Trzy najlepsze sposoby na zasilanie symetryczne z pojedynczej linii
    Rys.1. Uproszczony schemat układu z wirtualną masą opartego na wzmacniaczu TLE2426 jako driverze masy


    Przetwornice

    Przetwornice DC/DC mają wiele zalet nad rozwiązaniem dyskretnym: są one sprawniejsze, precyzyjniejsze i stabilniejsze. Dostarczać także mogą o wiele większego prądu. Dodatkowo układy tego rodzaju wyposażone mogą być w dalsze funkcje, dodatkowo poprawiające działanie sekcji zasilania. Pierwszą kategorią układów impulsowych są przetwornice indukcyjne, które do swojego działania wykorzystują cewki (w dalszej części artykułu omówiono przetwornice pojemnościowe - pompy ładunku - z przełączanym kondensatorem). Przetwornice indukcyjne charakteryzują się najwyższą sprawnością spośród prezentowanych urządzeń, ale są z drugiej strony bardziej skomplikowane i kosztowne w implementacji. Zajmują też sporo miejsca na płytce drukowanej (PCB).

    Na rysunku 2 zaprezentowano schemat przykładowego układu opartego o scaloną przetwornicę TPS65133 z wyjściem symetrycznym. Układ ten jest w stanie dostarczyć 250 mA prądu w każdej gałęzi zasilania, a sprawność jaką osiąga wynosi do 90% dla większości konfiguracji napięcia i prądu wyjściowego.

    Trzy najlepsze sposoby na zasilanie symetryczne z pojedynczej linii
    Rys.2. Przykładowa scalona przetwornica indukcyjna TPS65133 z wyjściem symetrycznym.


    Inną popularną topologią przy konstruowaniu tego rodzaju układów jest przetwornica fly-buck. Jest to synchroniczna przetwornica step-down typu buck z indukcyjnością w pętli sprzężenia zwrotnego. Tego rodzaju topologia oferuje także możliwość realizacji izolowanego zasilacza z wyjściowym napięciem symetrycznym.

    Pompa ładunku

    Drugim rodzajem przetwornicy jest układ z przełączanym kondensatorem. Pozwala on na odwrócenie napięcia i generację napięcia symetrycznego w systemie. Aby zrealizować taki układ wystarczy połączyć pompę ładunku z przetwornicą DC/DC typu boost albo też stabilizatorami LDO. Przykładowy układ tego rodzaju pokazano na rysunku 3. Układ LM27761 pełni w systemie rolę odwracającej napięcie pompy ładunku; jest on zintegrowany z LDO stabilizującym napięcie ujemne o wydajności prądowej na poziomie 250 mA. Napięcie wyjściowe z tego układu można dodatkowo regulować z pomocą zewnętrznych oporników.

    Trzy najlepsze sposoby na zasilanie symetryczne z pojedynczej linii
    Rys.3. Zasilacz symetryczny wykorzystujący pompę ładunku i LDO do generacji zasilania ujemnego.


    Firma Texas Instruments oferuje także scalone rozwiązania, takie jak TPS65133, który integruje w sobie przetwornicę boost i stabilizator LDO oraz odwracającą napięcie pompę ładunku, co umożliwia stabilizację napięcia symetrycznego ?5 V o sprawności na poziomie 90%. Dzięki integracji stabilizatora LDO w tego rodzaju układach, napięcie ujemne jest odfiltrowane z zakłóceń i szumów, wynikających z pracy przetwornicy, a sam układ do działania wymaga zaledwie kilku zewnętrznych elementów, jak pokazano na rysunku 4.

    Trzy najlepsze sposoby na zasilanie symetryczne z pojedynczej linii
    Rys.4. Przetwornica z przełączanym kondensatorem LM27762 generująca ujemne napięcie, stabilizowane na LDO.


    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2016/12/27/the-top-three-ways-to-split-a-voltage-rail-to-a-bipolar-supply

  • Semicon