Zasilanie dwutorowe

Najwydajniejsze wzmacniacze operacyjne często wymagają zasilania rozdzielonego z dodatnim i ujemnym napięciem podłączonym do szyn zasilających wzmacniaczy operacyjnych. W tym projekcie będziemy budować zasilacz dwutorowy dodatni/ujemny dla sondy oscyloskopowej różnicowej, którą projektuję. Zdecydowałem, że zasilacz będzie oddzielnym projektem, ponieważ dwutorowe zasilanie jest bardzo przydatne i jestem pewien, że znajdę dla niego wiele zastosowań w przyszłości.

W przeszłości pisałem na tym blogu o konfiguracjach zasilania dwutorowego, jednak w tym projekcie zastosujemy te porady i zbudujemy regulator ujemny.

Ponieważ moja sonda różnicowa będzie podłączona do szerokiej gamy sygnałów, chcę zapewnić, że zasilanie wzmacniaczy operacyjnych będzie nie tylko bardzo stabilne i o niskim poziomie szumów, ale także całkowicie izolowane zarówno od oscyloskopu, jak i testowanego urządzenia. Dlatego ta płyta będzie zasilana z baterii 9V. Baterie AA byłyby dobrym rozwiązaniem, jednak wymagałyby regulatora przełączającego zarówno w zasilaniu dodatnim, jak i ujemnym, a przy użyciu tylko dwóch baterii AA czas pracy byłby ograniczony. Więcej niż dwie baterie AA są zbyt obszerne, a te problemy są jeszcze większe w przypadku baterii AAA. 

Bateria 9V jest łatwo dostępna w wielu sklepach w niskiej cenie, istnieją opcje akumulatorowe, a co dla mnie ważne: nie ma na nie ograniczeń w dostawie. Użycie baterii litowo-jonowych znacznie skomplikowałoby projekt w porównaniu z użyciem baterii 9V, ze względu na obwody ładowania i monitorowania baterii - co więcej, jest niesamowicie trudno dostać je tam, gdzie mieszkam. Jeśli chciałbyś przeczytać bardziej szczegółową analizę różnych technologii baterii i ich związku z zastosowaniami elektronicznymi, zapoznaj się z moim artykułem na Octopart o wybieraniu baterii.

Jak we wszystkich moich projektach, otwarte pliki Altium Designer dla tego projektu można znaleźć na moim GitHub, udostępnione na licencji MIT.

Zalety używania zasilania podwójnego

Przy użyciu wzmacniacza operacyjnego z pojedynczym zasilaniem, napięcie wyjściowe może sięgać tylko od wartości bliskiej napięciu wejściowemu do wartości bliskiej masie. Jak blisko, zależy od konkretnego wzmacniacza operacyjnego, przy czym wzmacniacze z pełnym zakresem na szynach generują sygnały wyjściowe niemal całkowicie do szyn zasilających.

Jeśli pracujesz z przebiegami, które mają składową ujemną, taką jak AC, lub potrzebujesz, aby poziom napięcia wyjściowego wynosił dokładnie 0v, wtedy wzmacniacz operacyjny z podwójnym zasilaniem zapewni Ci wszechstronność, której wymagasz. Niektóre z najwydajniejszych wzmacniaczy operacyjnych na rynku są również zaprojektowane z wymogiem podwójnego napięcia zasilania, dlatego jeśli potrzebujesz przesunąć granice, podwójne napięcie zasilania może być obowiązkowe.

Niektóre wzmacniacze operacyjne mogą wymagać, aby maksymalne/minimalne napięcia wejściowe były o kilka woltów oddalone od szyny zasilającej. Jeśli używasz 5-woltowego pojedynczego zasilania na wzmacniaczu operacyjnym z minimalnym przesunięciem o 2 volty, masz tylko 1 wolt użytecznego zakresu wejściowego. Wzmacniacze rail-to-rail mogą rozwiązać ten problem, podobnie jak podwójne zasilanie. 

Do mojej sondy różnicowej spodziewam się głównie obserwować przebiegi AC, używając niektórych bardzo wydajnych wzmacniaczy operacyjnych, co wymaga użycia podzielonego zasilania do ich zasilania. 

Ujemna Szyna

W poprzednim projekcie stworzyłem ujemne zasilanie dla wzmacniacza operacyjnego przy użyciu pompy ładunkowej, jednak ten projekt wymagał tylko minimalnego prądu zasilania i jakości szyny napięciowej. Chciałbym, aby to podwójne zasilanie zapewniało bardzo wysoką jakość mocy przy 80mA lub więcej. Chociaż to nie jest dużo prądu, jest to więcej niż oferują wiele pomp ładunkowych, i potrzebuję znacznie niższego szumu.

Topologia dla ujemnej szyny tego zasilania będzie zasilaczem impulsowym generującym napięcie -5,5V, które będzie oczyszczane przez filtr LC, zasilający regulator liniowy. 

Regulator Przełączający

Wielu inżynierów obecnie postrzega napięcia ujemne jako coś niemal mitycznego, ponieważ większość nowoczesnych urządzeń wymaga tylko pojedynczego dodatniego zasilania do działania. Jednak tworzenie napięcia ujemnego nie stanowi żadnego problemu, jeśli potrafisz zaprojektować regulator napięcia obniżającego, możesz zaprojektować regulator ujemny - teoria jest dokładnie taka sama.

Aby stworzyć zasilanie -5,5V, używam przetwornicy DC-DC Maxim/Analog MAX17578 4,5V do 60V, 1A o wysokiej efektywności, synchronicznej, z odwróconym wyjściem. Regulatory przełączające nie są najlepsze przy niskich obciążeniach, jednak nawet przy obciążeniu tego regulatora 80mA powinien on nadal pracować z efektywnością około 66%. Może się to wydawać niewielką efektywnością, jednak jest to znacznie więcej niż jakikolwiek inny dostępny regulator w momencie projektowania.

Regulator liniowy

Końcowe wyjście ujemnego szynu jest dostarczane przez ultra niskoszumowy regulator liniowy, Analog Devices ADP7182. Aby usunąć szum przełączania z regulatora -5,5V, dodałem filtr LC do wejścia. Regulator powinien być zdolny do radzenia sobie z szumem przełączania, jednak zawsze dobrze jest pomóc jak najwięcej, kiedy dąży się do uzyskania niskiego poziomu szumów.

Filtr LC może być w pełni zdolny do dostarczania wystarczająco czystego zasilania dla niektórych aplikacji, co pozwala na usunięcie drogiego regulatora liniowego, więc rezystor 0 omów pozwala na zwarcie wejścia i wyjścia regulatora liniowego. Wariant projektu zapewnia, że ten rezystor nie znajdzie się w BOM lub informacjach montażowych, gdy nie jest wymagany.

Podczas gdy moje początkowe zastosowanie tego regulatora wymaga +/-4,8V, chcę, aby ten projekt był wszechstronny i można go było stosować w innych zastosowaniach. Dlatego dodałem potencjometr przesuwny do pinu regulacyjnego regulatora, co pozwala na dostosowanie napięcia od -4,2V do -5,2V. Potencjometr wieloobrotowy byłby tutaj idealny, ale mechaniczne ograniczenia sposobu, w jaki wyobrażam sobie użycie tej płytki, ograniczają mnie do potencjometru jednoobrotowego.

Czy Twoje projekty potrzebują wariantów i opcjonalnych komponentów, aby ułatwić produkcję, jednocześnie oferując więcej opcji konfiguracji? Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś lub zarejestruj się na darmową wersję próbną Altium.

Szyna dodatnia

Szyna zasilania dodatnia jest znacznie prostsza niż ujemna, z jedynie liniowym regulatorem podłączonym do baterii. Przy niskim poborze prądu nie ma potrzeby stosowania regulatora impulsowego. Bezpośrednie podłączenie regulatora do baterii zapewnia najniższy poziom szumów na jego wejściu.

Schemat dla regulatora dodatniego jest bardzo podobny do regulatora ujemnego, ponieważ liniowy regulator Analog Devices ADP7102 należy do tej samej rodziny co regulator ujemny. Ponownie, napięcie można dostosować od +4,2V do +5,2V, używając tego samego modelu potencjometru przesuwnego co w regulatorze ujemnym.

Regulator dodatni posiada również dzielnik napięcia dla pinu włączającego, podczas gdy regulator liniowy na szynie ujemnej nie potrzebuje tej funkcji, ponieważ regulator przełączający zapewnia tę funkcję.

Ostrzeżenie o niskim stanie baterii

Lubię przesadzać z inżynierią, więc w tym projekcie mam przesadzone ostrzeżenie o niskim stanie baterii. Zamiast po prostu zapalać diodę LED, gdy bateria jest słaba, zamierzam mieć migającą diodę LED sygnalizującą niski stan baterii.

Używam jednego wzmacniacza operacyjnego (IC5) do wykrywania niskiego poziomu baterii, którego wyjście zasila obwód oscylatora relaksacyjnego wykorzystującego kolejny wzmacniacz operacyjny (IC6). Inną nazwą dla oscylatora relaksacyjnego jest astabilny multiwibrator. Oscylator relaksacyjny steruje tranzystorem MOSFET, który powoduje migotanie diody LED. Wzmacniacz operacyjny oscylatora ma wystarczająco niski pobór prądu, aby można go było bezpośrednio zasilać z wyjścia wzmacniacza detekcji niskiego napięcia.

Oscylator relaksacyjny generuje wyjście w postaci fali kwadratowej, z tym zaprojektowanym na około 1Hz częstotliwość i 50% współczynnik wypełnienia. Oscylator relaksacyjny ładuje kondensator, w tym przypadku C21, który jest podłączony do odwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego. Nieodwracające wejście wzmacniacza operacyjnego jest połączone z dzielnikiem napięcia. 

Podczas gdy kondensator jest rozładowany, jego napięcie będzie poniżej napięcia na wejściu nieodwracającym, co pozwoli kondensatorowi naładować się z wyjścia wzmacniacza operacyjnego przez R29. Gdy kondensator zostanie naładowany, napięcie na wejściu odwracającym będzie wyższe niż na wejściu nieodwracającym, a wyjście wzmacniacza operacyjnego zmieni stan, pozwalając kondensatorowi zacząć się rozładowywać.

Układ PCB

Płytka PCB dla tego projektu jest stosunkowo prosta, rozmiar płytki jest określony przez uchwyt baterii, złącze zasilające oraz potrzebę miejsca montażowego dla dystansu między płytkami. Płytka będzie miała 1mm grubości i będzie wykonana w technologii czterowarstwowej. Obydwie wewnętrzne warstwy to masy, z zewnętrznymi warstwami przeznaczonymi dla trasowania sygnałów. Zapewnia to doskonałą ścieżkę powrotną dla tras na sąsiedniej warstwie. 

Płytka posiada dużą ilość przelotek masowych, aby dokładnie połączyć ze sobą sieci masowe, mając na celu redukcję zakłóceń przewodzonych i promieniowanych. Układ przetwornicy impulsowej jest po prostu typowym układem przetwornicy impulsowej, a układy stabilizatorów liniowych nie są zbyt krytyczne.

Starałem się umieścić przetwornicę impulsową jak najdalej od złącza zasilającego, jak to ma sens, jednocześnie umieszczając stabilizatory liniowe jak najbliżej ich wyprowadzeń wyjściowych, jak to możliwe. 

Warstwa masy zapewnia doskonałą ścieżkę termiczną dla regulatora dodatniego, który będzie odprowadzał najwięcej ciepła.

Na płytce umieściłem punkty testowe tak, aby najbardziej krytyczne sygnały (szyny napięciowe) mogły być sondowane przez oscyloskop z wiosennym połączeniem do masy, minimalizując długość pętli masy. Testowanie dowolnego sprzętu zawierającego komponent przełączający za pomocą przewodu masy sondy oscyloskopu jest świetnym sposobem na wykrycie szumów bliskiego pola dodatkowo lub zamiast sygnału, którego faktycznie szukasz.

Testowanie wydajności

Nie ma sensu budować regulatora, jeśli nie zamierzasz go wypróbować, więc rzućmy regulator na zasilacz laboratoryjny i podłączmy go do mojego obciążenia DC, aby zobaczyć, jak się sprawuje. Wszystkie poniższe testy zostały przeprowadzone na zasilaczu laboratoryjnym, jednak sprawdziłem również obciążenia przy pracy regulatora na baterii, wyniki były nie do odróżnienia.

Podczas gdy testy prądowe są przeprowadzane przez dość cienki przewód skokowy do płytki, sprawdzając napięcia na pokładzie zarówno za pomocą mojego multimetru laboratoryjnego, jak i przenośnego multimetru, odczyty na obciążeniu DC są w granicach kilku milivoltów tego, co jest na płytce.

Negatywna szyna

Rozpoczynając testy od strony zasilania ujemnego, napięcie bez obciążenia wynosi 4,8149V. Prawdopodobnie mógłbym to jeszcze lepiej wyregulować, ale byłem niecierpliwy, aby zobaczyć, jak będzie działać pod obciążeniem.

Moje obciążenie DC obsługuje tylko napięcia dodatnie, więc po prostu użyłem szyny ujemnej jako odniesienia do ziemi, a ziemię regulatora jako dodatnie wejście. O ile chodzi o obciążenie DC, jest to napięcie dodatnie.

Możesz zignorować oporność obciążenia na poniższym zdjęciu, to ułamek sekundy przed zastosowaniem obciążenia, a obciążenie DC mierzyło obciążenie, gdy zwiększało prąd.

Pod obciążeniem możemy zauważyć spadek napięcia o 24mV. Karta katalogowa twierdzi, że dokładność w zakresie linii, obciążenia i temperatury wynosi maksymalnie +2%/minimalnie -3%. Przy odchyleniu napięcia o pół procenta, zdecydowanie mieści się to w tej deklaracji przy 80mA.

Biorąc pod uwagę, że regulator działa dobrze przy swoim nominalnym obciążeniu, chciałem go przetestować przy 200% obciążenia, aby zobaczyć, jak sobie poradzi. Regulator jest przystosowany do obciążenia -200mA, więc powinien sobie z tym świetnie poradzić. Napięcie spadło o 44,2mV przy zwiększonym obciążeniu, ale to nadal tylko 1% spadek, co mieści się w granicach deklarowanych w karcie katalogowej.

Patrząc na regulator impulsowy na moim oscyloskopie bez przyłożonego obciążenia, wszystko wygląda stabilnie i radzi sobie bardzo dobrze z niskim obciążeniem. Jedynym obciążeniem tego regulatora jest cokolwiek pasożytnicze plus 4mA prądu napędzającego diodę LED. Niektóre regulatory impulsowe po prostu nie radzą sobie z tak małym obciążeniem, więc miło jest zobaczyć, że wszystko jest stabilne. 

Włączając obciążenie DC, ustawione na pobór prądu 80mA, wyjście regulatora impulsowego wygląda dużo bardziej jak można by oczekiwać od regulatora w trybie impulsowym. Dodając do wyświetlacza pomiar napięcia RMS, możemy zobaczyć, że choć szum szczytowy do szczytowego wynosi około 26mV, szum RMS wynosi tylko około 2,2mV.

Przyjrzywszy się sygnałowi po filtrze LC, możemy zauważyć, że cały szum przełączania został całkowicie usunięty, jednak sygnał jest nieco bałaganem. W mojej początkowej aplikacji tej płytki, regulator liniowy zdecydowanie pozostanie na płytce, ponieważ regulator liniowy ładnie porządkuje ten bałagan.

Pozytywna Szyna

Na pozytywnej szynie możemy przeprowadzić te same testy, aby zobaczyć, jak porównywalne są regulatory liniowe. Wybrałem regulatory, aby miały dobrą zgodność wydajności, ale zawsze jest pytanie, jak dobrze sprawy mają się w rzeczywistości, a nie tylko na papierze.

Bez obciążenia, ustawiłem napięcie nieco wyżej niż jest to w przypadku regulatora negatywnego, na poziomie 4,8492V.

Przy zaprojektowanym obciążeniu 80mA, możemy zobaczyć, że napięcie spadło nieco mniej niż w przypadku regulatora negatywnego, z utratą zaledwie 18,6mV. To jest nieco poniżej 0,4 procenta pierwotnego napięcia. Chociaż jest to dokładniejsze niż w przypadku regulatora negatywnego, ma to sens, ponieważ karta katalogowa regulatora pozytywnego również twierdzi o wyższej precyzji z dokładnością przy zmianie linii, obciążenia i temperatury −2%, +1%. 

Zwiększając obciążenie do 200%, napięcie spada o 30mV, czyli o 0,6% pierwotnie ustawionego napięcia. Ponownie jest to lepszy wynik niż w przypadku regulatora ujemnego, ale mnie to nieco zaskakuje, ponieważ regulator dodatni ma prąd nominalny 300mA, a nie 200mA jak regulator napięcia ujemnego. Spadek napięcia mieści się jednak wciąż dobrze w specyfikacjach karty katalogowej.

Łączne napięcie

Testowanie każdego szyn napięcia jest interesujące, aby zobaczyć wydajność każdego regulatora, jednak jest nieco bez znaczenia poza potwierdzeniem, że regulatory działają zgodnie z oczekiwaniami. W rzeczywistości, moje wzmacniacze operacyjne będą zasilane podwójnym napięciem, obciążając regulatory równomiernie.

Połączyłem regulator dodatni z dodatnim wejściem mojego obciążenia DC, a zasilanie ujemne z wejściem do ziemi dla mojego obciążenia DC. Pokazuje to napięcie 9,6574V do obciążenia DC bez obciążenia na zasilaniu.

Dodając projektowe obciążenie 80mA do regulatora, widzimy spadek o 22,1mV, czyli tylko 0,2% pierwotnego napięcia. Jestem z tego wyniku bardzo zadowolony, wiedząc, że moje wzmacniacze operacyjne będą otrzymywać bardzo stabilne napięcie, nawet jeśli ich obciążenie może się zmieniać podczas użytkowania. Powinno to zapewnić bardzo spójne wyjścia.

Zwiększając prąd do 200%, mamy teraz spadek napięcia o 32mV, czyli nieco ponad 3 procent napięcia bez obciążenia.

Używając mojego oscyloskopu do obserwacji wyjścia z płytki regulatora pod obciążeniem, jest to dość nieoświecające. Wygląda na to, że dzieje się dużo szumów i akcji, przy czym oscyloskop mierzy 242 mikrowolty szumu RMS, ale to nie jest płyta regulatora, którą widzimy. Poniższy zrzut ekranu ma włączoną trwałość 2 sekundy i jest kolorystycznie stopniowany, aby pokazać najczęściej występujące sygnały.

Co więc mam na myśli, mówiąc, że to nie jest płyta regulatora, którą widzimy? Niestety, poziom szumów mojego oscyloskopu jest po prostu za wysoki. Mój oscyloskop Rigol MSO5354 mierzy 450 mikrowoltów szumu RMS przy pomiarze rezystora osiowego 47 omów za pomocą sondy (jedna noga owinięta wokół opaski uziemiającej, druga noga wokół końcówki sondy). Więc nie ma sposobu, abym mógł bezpośrednio zmierzyć 15-18 mikrowoltów szumu, które karty katalogowe podają mi do oczekiwania od tych liniowych regulatorów. Chociaż to rozczarowujące, znajduję to zabawne, że szum zmierzony z mojej płytki regulatora jest niższy niż szum zmierzony z rezystora.

Przeprowadziłem również ten test z regulatorem zasilanym z baterii i obciążonym rezystorem 100 omów, aby sprawdzić, czy wydajność szumowa jest inna, eliminując moje urządzenia pomiarowe jako źródło szumów. Poza tym, że rezystor bardzo się nagrzał i nieprzyjemnie pachniał, na oscyloskopie nie było zauważalnej różnicy między dwoma metodami napięcia wejściowego/obciążenia.

Ostateczne przemyślenia

Chociaż chciałbym, aby moje urządzenie testowe pozwalało mi dokładniej przyjrzeć się poziomowi szumów na wyjściach, jestem zadowolony z wyniku tego projektu regulatora. Zawsze miło jest przekraczać granice możliwości sprzętu testowego dzięki projektom. 

Dodatkowo, poza przeprowadzonymi testami, płyta spędziła ponad dzień pracując pod obciążeniem 200% bez żadnych oznak awarii czy stresu. Najgorętszym komponentem na płycie był pozytywny regulator liniowy, osiągając temperaturę około 65 stopni Celsjusza (149°F), podczas gdy temperatura w moim laboratorium osiągnęła szczyt gorącego szkockiego lata 22,5°C (72°F).

W moim następnym projekcie zamierzam wykorzystać tę płytę do zasilania trzech wysokowydajnych wzmacniaczy operacyjnych, budując sondę oscyloskopową różnicową, która jeszcze bardziej przetestuje granice mojego sprzętu pomiarowego.

Czy korzystasz z wiodących w branży narzędzi do tworzenia schematów i projektowania PCB, aby rozwijać swoje rozwiązania sprzętowe z minimalnym wysiłkiem? Porozmawiaj z ekspertem w Altium, aby dowiedzieć się, jak Altium Designer może przyspieszyć Twój następny projekt. Alternatywnie, zarejestruj się na darmowy okres próbny, aby zobaczyć, o co tyle zamieszania!