Двухполярный источник питания

Высокопроизводительные операционные усилители часто требуют раздельного питания с положительным и отрицательным напряжениями, подключенными к шинам питания операционных усилителей. В этом проекте мы собираемся построить двухполярный источник питания с положительным/отрицательным напряжением для дифференциального зонда осциллографа, который я разрабатываю. Я делаю блок питания отдельным проектом, так как двухполярный источник питания довольно полезен, и я уверен, что найду для него множество применений в будущем.

В прошлом я говорил в этом блоге о конфигурациях двойного источника питания, однако в этом проекте мы собираемся воплотить эти советы в жизнь и построить отрицательный регулятор.

Поскольку мой дифференциальный зонд будет подключен к широкому диапазону сигналов, я хочу убедиться, что питание операционных усилителей не только очень стабильное и с низким уровнем шума, но также полностью изолировано как от осциллографа, так и от испытуемого устройства. Поэтому этот блок будет питаться от 9-вольтовой батареи. Батарейки типа AA были бы неплохим решением, однако потребовался бы коммутирующий регулятор как для положительного, так и для отрицательного напряжения, и при использовании всего лишь двух батареек типа AA время работы было бы ограничено. Более двух батареек типа AA слишком громоздки, а с батарейками типа AAA эти проблемы только усугубляются. 

9В батарея широко доступна в различных магазинах по низкой цене, существуют перезаряжаемые варианты, и что важно для меня: на них нет ограничений на доставку. Использование литий-ионных батарей значительно усложнило бы конструкцию по сравнению с использованием 9В батареи из-за необходимости включения схем зарядки и мониторинга батареи - к тому же, доставить их туда, где я живу, невероятно сложно. Если вы хотите прочитать более подробный анализ различных технологий батарей и их отношения к электронным приложениям, ознакомьтесь с моей статьей на Octopart о выборе батарей.

Как и во всех моих проектах, вы можете найти файлы Altium Designer с открытым исходным кодом для этого проекта на моем GitHub, лицензированные по либеральной лицензии MIT.

Преимущества использования двойного питания

При использовании операционного усилителя с однополярным питанием выходное напряжение может изменяться только от значения, близкого к входному напряжению, до значения, близкого к земле. Насколько близко, зависит от конкретного операционного усилителя, при этом усилители с широким диапазоном напряжений питания генерируют выходные сигналы, почти полностью доходящие до крайних значений напряжений питания.

Если вы работаете с сигналами, имеющими отрицательную составляющую, например, с переменным током, или вам необходимо, чтобы уровень выходного напряжения был ровно 0 вольт, тогда операционный усилитель с двойным питанием предоставит вам необходимую гибкость. Некоторые из наиболее производительных операционных усилителей на рынке также разработаны с требованием двойного напряжения питания, поэтому, если вам нужно расширить возможности, двойное напряжение питания может быть обязательным.

Некоторые операционные усилители могут требовать, чтобы максимальное/минимальное входное напряжение было на несколько вольт отдалено от напряжения питания. Если вы используете однополярное питание 5 вольт на операционном усилителе с минимальным смещением 2 вольта, у вас остается только 1 вольт доступного входного диапазона. Усилители с полным диапазоном могут решить эту проблему, как и двойное питание. 

Для моего дифференциального зонда я ожидаю, что буду в основном работать с переменными сигналами, используя некоторые очень производительные операционные усилители, что требует использования разделенного питания для их питания. 

Отрицательная Шина

В предыдущем проекте мной был создан отрицательный источник питания для операционного усилителя с использованием насоса заряда, однако тот проект требовал только минимального тока питания и качества напряжения шины. Я хотел бы, чтобы этот двойной источник питания обеспечивал очень высокое качество питания при 80 мА или более. Хотя это и не так много тока, это больше, чем предлагают многие насосы заряда, и мне нужен значительно меньший шум.

Топология для отрицательной шины на этом источнике будет переключающимся источником питания для генерации напряжения -5,5 В, который будет очищен с помощью LC-фильтра, подающего на линейный регулятор. 

Переключающий регулятор

Многие инженеры в наши дни считают отрицательные напряжения чем-то почти мифическим, поскольку большинство современных устройств требуют только одного положительного источника питания для работы. Однако создать отрицательное напряжение на самом деле не составляет труда. Если вы можете спроектировать понижающий регулятор напряжения, вы можете спроектировать и отрицательный регулятор - теория абсолютно та же.

Для создания источника питания -5,5 В я использую синхронный инвертирующий выходной DC-DC преобразователь Maxim/Analog MAX17578 на 4,5 В до 60 В, 1 А с высоким КПД. Импульсные регуляторы не очень хорошо работают при низких нагрузках, но даже при нагрузке в 80 мА на этом регуляторе он должен работать с КПД около 66%. Это может показаться не очень высоким КПД, однако это значительно выше, чем у любого другого регулятора, который был в наличии на момент проектирования.

Линейный регулятор

Конечный выход отрицательного рельса обеспечивается ультранизкошумным линейным регулятором, Analog Devices ADP7182. Чтобы убрать шум переключения от регулятора -5,5 В, я добавил LC-фильтр на вход. Регулятор должен справляться с шумом переключения, но всегда полезно помогать насколько это возможно, когда цель - минимизация шума.

LC-фильтр может быть вполне способен обеспечить достаточно чистое питание для некоторых приложений, что позволяет убрать дорогой линейный регулятор, поэтому резистор 0 ом позволяет замкнуть вход и выход линейного регулятора. Вариант дизайна обеспечивает, что этот резистор не попадет в BOM или информацию сборки, когда он не требуется.

Хотя мне изначально нужен этот регулятор для получения +/-4.8В, я хочу, чтобы эта конструкция была универсальной и применимой в других случаях. Поэтому я добавил переменный резистор к контакту регулировки регулятора, что позволяет регулировать напряжение от -4.2В до -5.2В. Идеальным здесь был бы многооборотный потенциометр, но механические ограничения того, как я представляю использование этой платы, ограничивают меня однооборотным потенциометром.

Нужны ли вашим проектам варианты и опциональные компоненты для упрощения производства и предоставления большего количества настроек? Обратитесь к эксперту Altium сегодня, или зарегистрируйтесь для бесплатной пробной версии Altium.

Положительная шина

Положительная энергетическая шина гораздо проще отрицательной, с просто подключенным к батарее линейным регулятором. При низком потреблении тока нет необходимости в импульсном регуляторе. Подключение регулятора напрямую к батарее обеспечивает наименьшие помехи на его входе.

Схема для положительного регулятора очень похожа на схему отрицательного регулятора, поскольку линейный регулятор Analog Devices ADP7102 принадлежит к той же семье, что и отрицательный регулятор. Опять же, напряжение может быть отрегулировано от +4.2В до +5.2В с использованием той же модели переменного резистора, что и для отрицательного регулятора.

Положительный регулятор также имеет делитель напряжения для вывода включения, в то время как линейному регулятору на отрицательной шине эта функция не нужна, поскольку коммутируемый регулятор обеспечивает эту функцию.

Предупреждение о низком заряде батареи

Мне нравится делать вещи с избытком, поэтому для этого проекта у меня есть предупреждение о низком заряде батареи, превосходящее все ожидания. Вместо того, чтобы просто зажигать светодиод, когда батарея разряжена, я собираюсь использовать мигающий светодиод низкого заряда батареи.

Я использую один операционный усилитель (IC5) для обнаружения низкого уровня заряда батареи, выход которого питает схему релаксационного генератора, использующую другой операционный усилитель (IC6). Другое название релаксационного генератора - астабильный мультивибратор. Релаксационный генератор управляет МОП-транзистором, который заставляет светодиод мигать. Операционный усилитель генератора имеет достаточно низкое потребление тока, чтобы его можно было запитать напрямую от выхода усилителя обнаружения низкого напряжения.

Релаксационный генератор создает выходной сигнал прямоугольной формы, этот генератор рассчитан на частоту около 1 Гц и скважность 50%. Релаксационный генератор заряжает конденсатор, в данном случае C21, который подключен к инвертирующему входу операционного усилителя. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к делителю напряжения. 

Пока конденсатор разряжен, его напряжение будет ниже, чем на неинвертирующем входе, что позволяет конденсатору заряжаться от выхода операционного усилителя через R29. Как только конденсатор зарядится, напряжение на инвертирующем входе станет выше, чем на неинвертирующем входе, и выход операционного усилителя переключится, позволяя конденсатору начать разрядку.

Размещение на печатной плате

Печатная плата для этого проекта относительно проста, размер платы определяется держателем батареи, разъемом питания и необходимостью монтажного положения для стойки между платами. Плата будет иметь толщину 1 мм и состоять из четырех слоев. Обе внутренние плоскости являются земляными полигонами, а внешние слои предназначены для маршрутизации сигналов. Это обеспечивает отличный путь возврата сигнала на соседнем слое. 

На плате много сквозных переходов для надежного соединения земляных сетей, что направлено на снижение проводимых и излучаемых помех. Размещение коммутационного регулятора является типичным для коммутируемых режимов, а размещение линейных регуляторов не является слишком критичным.

Я старался разместить коммутационный регулятор как можно дальше от разъема питания, в то время как линейные регуляторы расположены как можно ближе к их выходным контактам. 

Заливка земли обеспечивает отличный тепловой путь для положительного регулятора, который будет рассеивать наибольшее количество тепла.

На плате установлены точки для тестирования таким образом, что наиболее критические сигналы (линии напряжения) могут быть проверены осциллографом с пружинным заземлением для минимизации длины петли заземления. Тестирование любого оборудования, содержащего коммутирующий компонент с использованием заземляющего провода на зонде осциллографа, является отличным способом захватить ближнее полевое шумовое излучение в дополнение или вместо сигнала, который вы на самом деле ищете.

Тестирование производительности

Нет смысла собирать регулятор, если вы не собираетесь его испытать, так что давайте подключим регулятор к лабораторному источнику питания и подсоединим его к моей постоянной нагрузке, чтобы посмотреть, как он работает. Все тесты ниже были выполнены на лабораторном источнике питания, однако я также проверил нагрузки с регулятором, работающим от батареи, результаты были неотличимы.

В то время как текущие испытания проводятся через довольно тонкий перемычку на плате, проверка напряжений на борту с помощью как моего настольного мультиметра, так и ручного мультиметра показывает, что показания на постоянной нагрузке отличаются на пару милливольт от того, что на плате.

Отрицательная шина

Начиная тестирование с отрицательной стороны питания, напряжение без нагрузки составляет 4.8149 В. Возможно, я мог бы настроить это немного лучше, но мне не терпелось увидеть, как оно будет работать под нагрузкой.

Моя нагрузка постоянного тока поддерживает только положительные напряжения, поэтому я просто использовал отрицательную шину в качестве опоры земли и землю регулятора как положительный вход. Что касается нагрузки постоянного тока, это положительное напряжение.

Можете не обращать внимание на сопротивление нагрузки на фото ниже, это доля секунды до того, как нагрузка была приложена, и нагрузка постоянного тока измеряла нагрузку, поскольку она увеличивала ток.

Под нагрузкой мы видим падение выходного напряжения на 24 мВ. В техническом описании указана точность по линии, нагрузке и температуре максимум +2% / минимум -3%. С отклонением напряжения в полпроцента, это определенно укладывается в эти параметры при 80 мА.

Учитывая, что регулятор хорошо работает при своей номинальной нагрузке, я хотел проверить его на 200%, чтобы увидеть, как он справится. Регулятор рассчитан на нагрузку -200 мА, так что он должен быть абсолютно в порядке. При увеличенной нагрузке напряжение упало на 44,2 мВ, но это всего лишь падение на 1%, и полностью соответствует данным технического описания.

Смотря на импульсный регулятор на моем осциллографе без подключенной нагрузки, все выглядит стабильно, и он хорошо справляется с очень низкой нагрузкой. Единственная нагрузка на этот регулятор - это любая паразитная нагрузка плюс 4 мА тока, необходимого для питания светодиода. Некоторые импульсные регуляторы просто не справляются с такой малой нагрузкой, так что приятно видеть, что все стабильно. 

Включив постоянную нагрузку, установленную на ток 80 мА, выход импульсного регулятора выглядит гораздо более типично для импульсного регулятора. Добавив на дисплей измерение напряжения RMS, мы можем видеть, что, хотя пиковый шум составляет около 26 мВ, шум RMS составляет всего около 2,2 мВ.

Взглянув на сигнал после LC-фильтра, мы можем видеть, что весь коммутационный шум полностью устранен, однако сигнал немного напоминает кашу. Для моего первоначального применения этой платы линейный регулятор определенно останется на плате, так как линейный регулятор отлично справляется с этим беспорядком.

Положительная шина

На положительной шине мы можем провести те же испытания, чтобы увидеть, насколько сопоставимы линейные регуляторы. Я выбрал регуляторы с хорошим соответствием производительности, но всегда есть вопрос о том, насколько хорошо вещи работают в реальном мире, а не на бумаге.

Без нагрузки я установил напряжение немного выше, чем у отрицательного регулятора, на уровне 4.8492В.

При заданной нагрузке в 80мА мы видим, что напряжение упало немного меньше, чем у отрицательного регулятора, потеря составила всего 18.6мВ. Это немного меньше 0.4 процента от исходного напряжения. Хотя это более точно, чем у отрицательного регулятора, это имеет смысл, так как в техническом описании положительного регулятора также заявлена более высокая точность с точностью по линии, нагрузке и температуре −2%, +1%. 

Увеличив нагрузку до 200%, напряжение снижается на 30 мВ, или на 0,6% от исходного установленного напряжения. Опять же, это все еще лучше, чем у отрицательного регулятора, но это несколько удивляет меня, так как у положительного регулятора номинальный ток составляет 300 мА, в отличие от 200 мА у регулятора отрицательного напряжения. Тем не менее, падение напряжения все еще находится в пределах спецификаций, указанных в техническом описании.

Совмещенное напряжение

Тестирование каждой линии напряжения интересно для оценки работы каждого регулятора, однако это имеет некоторый смысл только для подтверждения того, что регуляторы работают как ожидается. В реальном мире мои операционные усилители будут получать двойное питание, равномерно нагружая регуляторы.

Я подключил положительный регулятор к положительному входу моей нагрузки постоянного тока, а отрицательное питание подключено к входу земли для моей нагрузки постоянного тока. Это показывает напряжение 9,6574 В на нагрузке постоянного тока без нагрузки на источник питания.

Добавляя рабочую нагрузку регулятора 80 мА, мы видим падение на 22,1 мВ, или всего на 0,2% от исходного напряжения. Я очень доволен этим результатом, зная, что мои операционные усилители будут получать очень стабильное напряжение даже при изменении их нагрузки во время использования. Это должно обеспечить очень стабильные выходные сигналы.

Увеличив ток до 200%, мы теперь имеем общее падение напряжения 32 мВ, или чуть более 3 процентов от напряжения без нагрузки.

Используя мой осциллограф для наблюдения за выходом платы регулятора под нагрузкой, это оказывается не очень показательным. Хотя кажется, что происходит много шума и действий, с осциллографом, измеряющим 242 микровольта среднеквадратичного шума, это не плата регулятора, которую мы видим. Ниже приведен снимок экрана с включенной персистенцией на 2 секунды, и он цветокодирован для показа наиболее часто встречающихся сигналов.

Так что я имею в виду, говоря, что это не плата регулятора, которую мы видим? К сожалению, уровень шума моего осциллографа слишком высок. Мой осциллограф Rigol MSO5354 измеряет 450 микровольт среднеквадратичного шума при измерении 47-омного сквозного аксиального резистора с помощью зонда (одна ножка обернута вокруг заземляющей полосы, другая ножка вокруг кончика зонда). Так что я никак не могу напрямую измерить 15-18 микровольт шума, о которых говорят мне технические описания этих линейных регуляторов. Хотя это разочаровывает, мне все же забавно, что измеренный шум с моей платы регулятора ниже, чем шум, измеренный с резистора.

Я также провел этот тест с регулятором, работающим от батареи и нагруженным резистором на 100 Ом, чтобы увидеть, будет ли шумовая характеристика как-то отличаться, исключая мое тестовое оборудование как источник шума. Кроме того, как резистор сильно нагревался и издавал довольно неприятный запах, на осциллографе не было заметно никакой разницы между двумя методами подачи напряжения/нагрузки.

Итоговые мысли

Хотя мне бы хотелось, чтобы моя тестовая установка позволяла более детально изучить уровень шума на выходах, я все же доволен результатом этого дизайна регулятора. Всегда приятно тестировать пределы возможностей тестового оборудования с помощью проектов. 

В дополнение к вышеупомянутым тестам, плата также провела более суток на 200% нагрузке без каких-либо признаков отказа или напряжения. Самым горячим компонентом на плате был положительный линейный регулятор, температура которого достигала около 65 градусов Цельсия (149°F), в то время как температура в моей лаборатории достигла пика жаркого шотландского лета 22,5°C (72°F).

В моем следующем проекте я буду использовать эту плату для питания трех высокопроизводительных операционных усилителей, поскольку я собираюсь собрать дифференциальный зонд осциллографа, который еще больше испытает пределы моего тестового оборудования.

Вы используете ведущие в отрасли инструменты захвата схем и размещения печатных плат для разработки ваших аппаратных решений с минимальными усилиями? Обратитесь к эксперту в Altium, чтобы узнать, как Altium Designer может ускорить ваш следующий проект. В качестве альтернативы зарегистрируйтесь для бесплатной пробной версии, чтобы увидеть, в чем весь шум!