無論何種應用,工程師都會面對要用負電壓對特定功能的電路進行偏置的問題,這種需要常見于單電源供電系統(tǒng)中要高性能地析取或強加一個模擬信號。當然,用交流電源供電的任何系統(tǒng)都可以用交流/直流轉換器的附加繞組來解決這一問題。但是,當采用單個電池供電時,情況就較為復雜。在這種情況下,采用簡單的直流/直流轉換器即可滿足這種需要,而無須增大PCB占位面積或增加成本。基本電路說明
--- 雙電壓轉換器基于NCP5006芯片,該芯片的高電壓輸出能力,原先被用來供電給白色LED。該轉換器用于我們實驗室中對專用模擬芯片進行性能鑒定的高精度ADC系統(tǒng),為了使運算放大器獲得最佳性能,需要采用一個雙電源電壓。另一方面,還需要一個+10V電壓用于對額外的電流源進行適當?shù)钠?以產生線性電壓斜率。因為板上沒有這幾種電壓(由3.6V鋰離子電池供電),因此采用標準元件設計出如圖1原理圖所示的電路。
---一般而言,轉換器可以將輸入電壓提升至20V,并且能夠向負載提供高至600mW的功率。輸出電壓由連接于Vout和地之間的R1/R2網絡所提供的反饋來穩(wěn)定。芯片設計中包含200mV 反饋檢測,從而減小了總的損耗。
---+10V輸出電壓由二極管D2整流,最好選用肖特基器件,但是硅類器件亦可,因為我們只需滿足低輸出電流要求,儲能電容為2.2μF(最好是陶瓷電容)。輸出電容取決于輸出負載電流,如果負載電流較大且要求較小紋波,則可以增大此電容。該電路設計為向+Vout提供5mA電流。-10V由類似電荷泵的技術產生,使用一個100nF 陶瓷電容由開關電壓向負載提供能量。采用微型SOT563封裝的雙二極管,可使PCB布局簡潔且占位面積有限。當然,必須使用一個額外的2.2μF儲能電容(最好是陶瓷電容)來適當濾除負極輸出上的噪聲。負極輸出能夠向負載提供-5mA電流,但是如果相應調整C2和C3的大小,則可以支持更大的負載。
---盡管負極輸出電壓隨著負載而變化,但這并不是主要問題,因為本應用中采用了高端運算放大器,有利于提高電源抑制比(PSRR),避免了任何因負極電壓變化而產生的問題。另一方面,本應用所吸收的電流幾乎恒定,形成一個輸出幾乎恒定的負電壓。
---輸出電壓紋波主要來自由開關引起的快速瞬變所產生的噪聲： 參見圖2中的波形。盡管這種噪聲是有害的(參見安森美半導體應用注釋AND8172D),但可以采用額外的LC濾波器串連輸出電壓,以降低噪聲。
---微型的高磁導率電感配合現(xiàn)有的電容使用(參見圖3),可以顯著減小噪聲,如圖4所示。當然,PCB必須經過仔細設計,以減小采集噪聲,并且根據(jù)不同的敏感度水平,可能強制使用多層板將噪聲減至最小。
輸出穩(wěn)壓
---根據(jù)應用的不同,穩(wěn)定而精確的輸出電壓可能是一項強制性要求;但上面給出的簡單電路因為輸出電壓取決于負載,無法滿足這項要求。
---正電壓輸出是穩(wěn)壓的,并通過表面貼裝的LM317B線性穩(wěn)壓器進行過載保護。兩個附加的二極管用以在電源開通/關閉的瞬變過程中,為穩(wěn)壓的LM317B提供保護。
---盡管市場上存在一批負電壓線性穩(wěn)壓器,但是選擇分立解決方案可以更好地支持較小的負載電流。另一方面,這里無需過載保護電路,因為負壓輸出電流由直流/直流架構自動限制。事實上,如果-10V 和地之間發(fā)生對地短路,則PNP晶體管中不可能流過連續(xù)電流(電容C3阻隔了直流電流)。因此,對該PNP器件不存在連續(xù)正向偏置安全工作區(qū)域問題,而小信號BC858C器件可以很好地實現(xiàn)這一功能。圖6所示的PSPICE仿真結果說明了每個輸出端帶10mA負載的線性穩(wěn)壓器的性能。
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