Odpowiedź: Wszystko, czego potrzeba, to czyste źródła napięcia dodatniego, aby móc podłączyć je do rezystora sprzężenia zwrotnego przetwornicy impulsowej.
W ciągu ostatnich lat napięcia zasilania elementów elektronicznych systematycznie spadają. Powodem tego jest malejący rozmiar struktur geometrycznych w układach cyfrowych, takich jak mikrokontrolery, procesory, procesory DSP i inne. Istnieją również zastosowania w systemach pomiarowych, które wymagają stabilizacji bardzo niskiego napięcia zasilania.
Przez wiele lat zarówno stabilizatory liniowe, jak i impulsowe używały napięcia sprzężenia zwrotnego równego około 1,2 V. Napięcie to było generowane przez układ wykorzystujący napięcie odniesienia generowane na przerwie energetycznej półprzewodnika wewnątrz układu scalonego stabilizatora czy przetwornicy DC/DC. Służyło ono do określania napięcia wyjściowego i w związku z tym definiowało najniższe napięcie, jakie można było skonfigurować na danym układzie z pomocą zewnętrznego dzielnika napięcia.
Obecnie większość nowoczesnych układów scalonych stabilizatorów napięcia może generować napięcie wyjściowe równe 0,8 V, 0,6 V lub nawet 0,5 V. Wewnętrzne napięcie odniesienia tych elementów jest zaprojektowane w taki sposób, aby możliwe było uzyskanie niższych napięć. Rysunek 1 przedstawia taki scalony stabilizator impulsowy - LTC3822 - który generuje napięcie odniesienia dla pętli sprzężenia zwrotnego równe 0,6 V. Przy takim napięciu odniesienia może on stabilizować napięcie do 0,6 V na wyjściu.
Rys. 1. Przetwornica DC/DC LTC3822 do stabilizowania niskich napięć wyjściowych 0,6 V lub wyższych.
Jeśli jednak wymagane jest napięcie zasilania mniejsze niż 0,6 V, obwód przedstawiony na rysunku 1 nie może być używany bez pewnych przeróbek.
Dzięki przedstawionej poniżej sztuczce można sprawić, że stabilizator - impulsowy bądź liniowy - będzie również stabilizował niższe napięcia niż napięcie sprzężenia zwrotnego. Można to osiągnąć wykorzystując obwody takie jak ten pokazany na rysunku 2. Wymaga to dodatkowego dodatniego napięcia zasilania, do którego podłączony jest dzielnik rezystancyjny w celu regulacji napięcia wyjściowego. To napięcie może pochodzić z stabilizatora liniowego o niskim spadku napięcia (LDO) lub stabilizatora napięcia odniesienia. Dzielnik rezystancyjny tworzy w ten sposób dzielnik napięcia, w którym przepływ prądu IFB płynie w kierunku przeciwnym do normalnego przypadku na rysunku 1. Na rysunku 2 prąd płynie od zewnętrznego napięcia odniesienia przez dzielnik rezystancyjny do napięcia wyjściowego.
Równanie 1 pokazuje zależność między napięciem sprzężenia zwrotnego układu scalonego (VFB), pożądanym napięciem wyjściowym (VOUT), dodatkowym dodatnim napięciem polaryzacji prądu stałego (VOFFSET) a rezystorami dzielnika rezystancyjnego R1 i R2.
[tex]\frac {V_{FB} - V_{OUT}} {V_{OFFSET} - V_{OUT}} = \frag {R_1} {R_1 + R_2} \qquad (1)]/tex]
Wartości oporników R1 oraz R2 powinny, sumarycznie, wynosić pomiędzy 100 kΩ a 500 kΩ. Pozwala to utrzymać prąd polaryzacji pętli sprzężenia zwrotnego na niskim poziomie, co ma pozytywny wpływ na sprawność systemu, a jednocześnie wartości te zapobiegną sprzęganiu się szumu z czułym wejściem sprzężenia zwrotnego.
Rys 2. Obwód z rysunku 1 zmodyfikowany w celu stabilizowania napięcia wyjściowego poniżej 0,6 V.
Koncepcja ta ogólnie sprawdza się w przypadku generowania napięć poniżej określonego minimalnego napięcia stabilizatora impulsowego lub liniowego. Należy jednak wziąć pod uwagę kilka efektów. Dodatkowe napięcie odniesienia powinno być włączone i ustabilizowane przed włączeniem się przetwornicy DC-DC. Jeśli to napięcie offsetu ma wartość 0 V lub wejście to ma wysoką impedancję, przetwornica DC-DC może generować zbyt wysokie napięcie na swoim wyjściu i w konsekwencji uszkodzić obwód po stronie obciążenia.
W najgorszym przypadku, w którym regulator przełączający nie jest jeszcze włączony, ale napięcie pomocnicze zostało już przyłożone, prąd IFB przepływający przez dzielnik rezystancyjny będzie ładował kondensator wyjściowy do napięć powyżej zadanego napięcia. Może się to zdarzyć, gdy obciążenie ma bardzo wysoką impedancję. Aby tego uniknąć, może być konieczne zainstalowanie minimalnego obciążenia w postaci np. dodatkowego opornika na wyjściu.
Dokładność napięcia pomocniczego na dzielniku rezystancyjnym (1 V na rysunku 2) ma bezpośredni wpływ na dokładność stabilizowania napięcia zasilania na wyjściu układu. Dlatego należy stosować wyjątkowo czyste źródło napięcia z niskim poziomem tętnień czy szumu.
Dodatkowo nie każda przetwornica napięcia nadaje się do tego typu operacji. Na przykład zakres pomiarowy wzmacniacza do pomiaru prądu w przetwornicy DC-DC może zapewnić tylko poprawną pracę przy wyższych napięciach. Należy również zauważyć, że stabilizacja bardzo niskich napięć przy dość wysokich napięciach wejściowych wymaga krótkiego cyklu pracy. W tym przypadku pomocne może być wybranie układu scalonego stabilizatora impulsowego z krótkim minimalnym czasem włączenia i wykorzystywanie go przy relatywnie niskiej częstotliwości przełączania.
Rys. 3. Narzędzie symulacyjne, takie jak LTspice® firmy Analog Devices, może być użyte do wstępnego testowania obwodu.
W przypadku wykorzystywania stabilizatora liniowego lub impulsowego do pracy z niższymi napięciami wyjściowymi niż zamierzone przez producenta układu scalonego, przydatne jest wstępne sprawdzenie za pomocą narzędzia symulacyjnego, takiego jak LTspice, działania systemu. Rysunek 3 przedstawia obwód z LTC3822 z dodatkowym źródłem napięcia jako polaryzacją dla pętli sprzężenia zwrotnego. W tym obwodzie generowane jest napięcie wyjściowe równe 200 mV. Zgodnie z kartą katalogową, LTC3822 jest odpowiedni do stabilizowania minimalnego napięcia wyjściowego równego 0,6 V. W obwodzie napięcie pomocnicze, źródło napięcia V2 na rysunku 3, może być realizowane za pomocą regulatora LDO lub napięcia odniesienia. Dzięki opisanej tu sztuczce i dokładnemu przetestowaniu obwodu można wygenerować jeszcze niższe napięcia wyjściowe, niż umożliwia to sam układ.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-181.html
