Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Trzy najlepsze sposoby na zasilanie symetryczne z pojedynczej linii

ghost666 05 Jan 2017 21:54 5811 0
Optex
  • 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

    Cool? Ranking DIY
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11029 posts with rating 9361, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Optex