Komponenten zur Erzeugung negativer Spannungsschienen

Die meisten modernen elektronischen Geräte werden mit einfachen positiven Versorgungsspannungen wie 3,3 V oder 5 V betrieben. Viele moderne Anwendungen, die einen vollständigen bipolaren Signalhub, eine symmetrische Vorspannung oder eine bestimmte analoge Leistung erfordern, führen Entwickler jedoch in den weniger vertrauten Bereich der negativen Spannungsschienen.

Die meisten ICs – Mikrocontroller, Prozessoren, digitale Sensoren und Speicher – werden mit einer einzigen positiven Versorgungsspannung betrieben. Entwicklungsboards wie die von Arduino sind überwiegend auf reine Gleichstromversorgung angewiesen. Energiemanagement-ICs (PMICs) werden häufig mit dem Ziel entwickelt, mehrere positive Schienen aus einer einzigen Batterie oder einem einzigen Adaptereingang zu erzeugen.

Dies könnte dazu führen, dass Entwickler negative Spannungen als Relikt einer früheren Ära der Elektronik betrachten. Negative Spannungen sind jedoch nach wie vor für eine Vielzahl von analogen und gemischten Signalanwendungen unverzichtbar, darunter Signalaufbereitung, Messtechnik, Sensorschnittstellen, Datenkonvertierung und Schaltungen für Präzisions-Operationsverstärker. Wenn man versteht, wann und warum eine Negativschiene erforderlich ist, ergeben sich vielfältigere Gestaltungsmöglichkeiten – und kostspielige Fehler können vermieden werden.

Bestimmte Designs benötigen eine negative Spannungsschiene, um korrekt und effizient zu funktionieren:

• Schaltungen zur Sensor-Signalaufbereitung mit Operationsverstärker-Konfigurationen benötigen häufig eine negative Versorgungsspannung, damit Signale unter die Masse schwingen können.
• Ältere Kommunikationsschnittstellen wie RS-232 benötigen sowohl positive als auch negative Spannungen, um eine ordnungsgemäße Logikpegelsignalisierung zu gewährleisten.
• Audio- und Instrumentenverstärker verwenden häufig bipolare Stromversorgungen, um den Spielraum zu verbessern, Verzerrungen zu reduzieren und die Linearität zu erhöhen.
• Moderne MEMS-Sensoren und Fotodioden benötigen für optimale Genauigkeit und Leistung möglicherweise eine geringe negative Vorspannung.

Schlüssel zum Erfolg

Einige Entwickler gehen möglicherweise davon aus, dass negative Spannungen nur für ältere oder Hochspannungssysteme verwendet werden, aber viele Präzisionssensoren, Verstärker und Vorspannungsschaltungen in heutigen Designs benötigen geringe negative Spannungen – oft nur wenige Volt –, um optimal zu funktionieren.

In Mischsignal-Systemen, in denen Platz und Leistung begrenzt sind, kann die Fähigkeit, eine saubere, effiziente negative Spannung aus einer einzigen positiven Schiene zu erzeugen, entscheidend für den Erfolg des Designs sein.

Ein weit verbreiteter Irrtum ist, dass zur Erzeugung einer negativen Spannung immer sperrige Transformatoren oder komplexe Doppelstromversorgungssysteme erforderlich sind. Tatsächlich vereinfachen moderne ICs wie Ladungspumpen und invertierende Regler die Erzeugung einer negativen Versorgungsspannung aus einer einzigen positiven Versorgungsspannung, selbst in kompakten Designs mit geringem Stromverbrauch.

Ein häufiger Fehler besteht darin, den Massepegel als absoluten Nullpunkt für die Spannung in allen Stromkreisen zu betrachten. Bei geteilten oder bipolaren Stromversorgungen ist „Masse“ lediglich der Mittelpunkt zwischen einer positiven und einer negativen Spannung (z. B. ±15 V) und kein fester, globaler Nullpunkt. In isolierten Systemen kann jedoch jeder Stromkreis über eine eigene Massebezugspol verfügen, und die Annahme, dass alle miteinander verbunden sind, kann zu Konstruktionsfehlern führen.

Ein weiterer Fallstrick bei der Konstruktion ist die Annahme, dass „Masse“ in einem Schaltkreis immer dasselbe bedeutet. Masse ist jedoch lediglich ein Bezugspunkt, dessen Bedeutung je nach Stromversorgungskonfiguration oder Isolationsgrenzen variieren kann. Dieses Missverständnis kann zu Problemen in analogen Schaltungen führen, in denen Operationsverstärker oder Sensoren möglicherweise nicht wie erwartet funktionieren, wenn die Spannungsreferenzen nicht richtig auf die tatsächliche Schaltungsmasse abgestimmt sind. In isolierten oder bipolaren Versorgungssystemen kann die Behandlung der Masse als universeller 0V-Punkt zu Signalfehlern, Störgeräuschen oder sogar zu Hardwarefehlern führen.

Eine mangelnde Vertrautheit mit negativen Schienen kann dazu führen, dass wichtige Aspekte des Layouts übersehen werden, wie z. B. geeignete Rückführungswege, effektive Entkopplung und Rauschisolierung. Dies kann zu Instabilität oder einer verminderten analogen Performance führen. Beispielsweise werden korrekte Rückwege komplexer, wenn sowohl positive als auch negative Spannungsversorgungen vorhanden sind – die Masse ist nicht mehr das niedrigste Potential, und eine unachtsame Verlegung kann zu Erdschleifen oder unbeabsichtigten Strompfaden führen.

Entkopplungskondensatoren müssen sowohl für die positiven als auch für die negativen Schienen strategisch platziert werden und über Verbindungen mit geringer Induktivität verfügen, um Spannungswelligkeit und transiente Spitzen zu minimieren. Die Rauschisolierung ist auch in Mischsignal-Systemen schwieriger, wo digitales Schaltrauschen über gemeinsame Masse- oder Stromversorgungsflächen in empfindliche analoge Schaltungen gelangen können. Ohne sorgfältige Aufteilung, Filterung und ein klares Verständnis des Stromflusses können die Vorteile eines präzisen analogen Frontends durch Instabilität, Rauschen oder Drift aufgrund von Artefakten der Stromversorgung zunichte gemacht werden.

Das frühzeitige Erkennen dieser Herausforderungen hilft, Signalabschneidungen, einen schlechten Dynamikbereich und nachträgliche Designänderungen zu vermeiden, was zu einer größeren Bandbreite an Designmöglichkeiten führt und kostspielige Versehen verhindert.

Designer haben mehrere bewährte Möglichkeiten, um aus einer einzigen positiven Schiene negative Spannungen zu erzeugen, je nach Komplexität des Systems, Ausgangsstrombedarf und Effizienzanforderungen. Analog Devices, Inc. (ADI) bietet ein breites Portfolio an Lösungen – von einfachen Ladungspumpen bis hin zu leistungsstarken Schaltreglern –, die die Erzeugung negativer Spannungen für Entwickler mit unterschiedlichem Erfahrungsgrad vereinfachen.

Ladungspumpenregler

Für platzbeschränkte Designs, die eine geringe negative Schiene erfordern – beispielsweise für die Vorspannung von Operationsverstärkern oder Sensorsignalreferenzen – benötigen die Low-Dropout-Ladungspumpen LTC1983 (Low Dropout = niedriger Spannungseinbruch) nur drei externe Kondensatoren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Eine Wandleranwendung mit der Ladungspumpe LTC1983, die -3 V bei bis zu 100 mA liefert. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Der LTC1983 erzeugt eine geregelte negative Spannung, indem er die Polarität des positiven Eingangs umkehrt, wodurch er sich hervorragend für die Versorgung von Analogschienen mit geringem Strombedarf von bis zu 100 mA eignet. Er eignet sich für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, wie z. B. Operationsverstärker-Vorspannung, Sensor-Offset-Einstellung oder kleine analoge Lasten in Systemen mit begrenztem Platzangebot. Es sind keine Induktivitäten erforderlich, was die Schaltungsanordnung vereinfacht, dies geht jedoch zu Lasten der Flexibilität, Effizienz und der Performance des Ausgangsrauschens.

Für mehr Flexibilität und höhere Effizienz ist der robustere LTC3265 erhältlich, ein Ladungspumpen-IC mit zwei Ausgängen, der aus einer einzigen Versorgungsspannung sowohl positive als auch negative einstellbare Schienen erzeugen kann (Abbildung 2). Mit integrierten rauscharmen LDO-Reglern liefert er bis zu ±100 mA mit hoher Präzision und geringer Welligkeit und eignet sich daher hervorragend für Mischsignal-Designs, Präzisionsmessgeräte und industrielle Sensorschnittstellen.

Abbildung 2: Ein Schaltungsdesign mit dem LTC3265 integriert rauscharme LDO-Regler, um aus einer einzigen 12V-Eingangsversorgung ±15V-Ausgangsspannungen zu liefern. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Der LTC3265 bietet weitaus mehr Spielraum als der LTC1983 hinsichtlich Skalierbarkeit, Rauschunterdrückung und Integration in anspruchsvolle analoge Subsysteme. Damit ist er die bessere Wahl, wenn saubere Schienen und Zuverlässigkeit unverzichtbar sind.

Abwärts-Aufwärts-Wandler (Buck-Boost-Wandler)

Wenn höhere Ausgangsströme oder ein besserer Wirkungsgrad erforderlich sind, bieten invertierende Buck-Boost-Wandler eine effiziente und robuste Lösung. Diese Schaltungen invertieren die Eingangsspannung und regeln sie auf einen negativen Ausgang, oft mit großen Eingangs-/Ausgangsbereichen und ausgezeichnetem Wirkungsgrad. Der LTC3863 von ADI ist ein robuster invertierender Regler, der negative Ausgangsspannungen bis zu -150 V erzeugen kann. Dadurch eignet er sich ideal für Industrie- und Kommunikationssysteme.

Der LT8624S, ein rauscharmer Schalter, kann in einem invertierenden Modus konfiguriert werden, um hocheffiziente negative Schienen mit extrem niedriger EMI bereitzustellen. Dadurch eignet er sich besonders für rauschempfindliche analoge Bereiche.

Eine weitere Option für bipolare Operationsverstärker oder Sensor-Vorspannungsanwendungen ist der ADP5076, ein Schaltregler mit zwei Ausgängen, der gleichzeitig positive und negative Spannungsschienen (z. B. +12 V und -12 V) aus einem einzigen Eingang erzeugt.

Erzeugung einer isolierten negativen Spannung

Anwendungen, die aus Sicherheits-, Störfestigkeits- oder Funktionsisolierungsgründen eine Trennung von der Masse erfordern – wie industrielle I/O, medizinische Geräte oder Automobilsysteme – benötigen eine Erzeugung isolierter negativer Spannungen. Ein transformatorbasierter DC/DC-Wandler, typischerweise in Flyback- (Abbildung 3) oder Gegentakttopologie, überträgt Energie über eine Trennbarriere und erzeugt eine Spannung, die sowohl negativ als auch elektrisch von der Eingangsseite getrennt ist.

Abbildung 3: Diese schematische Darstellung zeigt einen typischen Flyback-Wandler mit mehreren Ausgangswicklungen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Der LT3758 ist ein leistungsstarker DC/DC-Regler, der für Boost-, SEPIC- (Single-Ended Primary Inductor Converter), Flyback- und Inverter-Topologien entwickelt wurde. Er kann so konfiguriert werden, dass er mithilfe eines Flyback-Transformators isolierte negative Schienen erzeugt und eine einstellbare negative Ausgangsspannung von bis zu 100 V liefert. Es ist zwar kein Optokoppler erforderlich, jedoch wird in solchen Fällen eine ungeregelte negative Spannung erzeugt. Eine geregelte negative Spannung kann durch Hinzufügen eines negativen Eingangs-LDO-Reglers am Ausgang erreicht werden.

Für Mehrschienenanwendungen, bei denen der Platz auf der Platine begrenzt ist und Flexibilität unerlässlich ist, können Entwickler den den LT8471 von ADI verwenden, einen vielseitigen Zweikanal-Regler, bei dem jeder Kanal unabhängig als Boost, Buck-Boost, SEPIC oder Flyback konfiguriert werden kann. Dies ermöglicht eine Vielzahl von Ausgangs-Spannungskombinationen, sowohl positiv als auch negativ. Beispielsweise könnte ein Kanal +12 V und der zweite -12 V erzeugen, oder ein Kanal könnte als Boost auf +24 V und der zweite als isolierter Flyback auf -5 V konfiguriert werden. Dadurch können Entwickler den Platzbedarf auf der Platine und die Stückliste reduzieren.

Einige Anwendungen, insbesondere solche, die Leistungs-MOSFETs ansteuern, erfordern negative Gate-Ansteuerspannungen für ein sicheres und effizientes Schalten. Der ADuM4120 ist ein isolierter Gate-Treiber, der die Verwendung negativer Spannungen am Gate-Source-Anschluss ermöglicht und sich daher besonders für High-Side-Schaltungen oder Halbbrücken-Designs eignet (Abbildung 4).

Abbildung 4: In dieser Schaltung steuert der ADuM4120 eine bipolare Versorgungskonfiguration. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Wenn Markteinführungszeit und Platz auf der Leiterplatte entscheidend sind, können Entwickler Designs für negative Schienen vereinfachen, indem sie die µModule-Regler von ADI nutzen. Der LTM4655 ist ein vollständig integrierter invertierender Buck-Boost-µModule-Regler mit zwei vollständig unabhängigen Ausgangskanälen, die für einen geregelten negativen oder positiven Ausgang konfiguriert werden können.

Fazit

Es ist nicht ungewöhnlich, dass Geräte des Internets der Dinge (IoT), industrielle Sensoren, Präzisionsinstrumente und sogar medizinische Geräte sowohl positive als auch negative Spannungsschienen benötigen. Durch die Wahl der richtigen Topologie – ob eine Ladungspumpe für Einfachheit oder ein Schalter für Effizienz – können Entwickler negative Spannungen in moderne Systeme integrieren, ohne die Komplexität wesentlich zu erhöhen. Das breite Portfolio und die Referenzdesigns von ADI helfen Entwicklern, Spekulationen zu vermeiden.