Was ist der schmerzloseste Weg, um eine Hochstromversorgung mit negativer Spannung von einer positiven zu erhalten?

Ich entwerfe ein Audio-DSP- und DAC-Board, und im analogen Bereich verwende ich Operationsverstärker, die differenzielle Audiosignale aufnehmen und in einen Single-Ended-Ausgang umwandeln. Da die Signale Wechselstrom sind, schwingen sie offensichtlich unter Null, daher benötige ich eine Plus / Minus-Stromversorgung. Denken Sie daran, ich bin ein Software-Typ und mache das nur als Hobby - kein professioneller Hardware-Designer.

Ich recherchiere seit etwa einer Woche im Internet und suche nach Lösungen. Bisher habe ich gefunden:

Ladungspumpen : Diese sind großartig, wenn da nicht die Tatsache wäre, dass sie nur maximal 100 mA liefern. Das Ansteuern von 16 Audio-Operationsverstärkern benötigt mehr Strom als das.

Buck/Boost-Wechselrichter Diese saugen. Sie erfordern eine komplexe Schaltung und können kaum eine höhere Stromabgabe liefern als die Ladungspumpen. Für mich ist das die große und hässliche Lösung.

Cuk-Topologie Ich habe nicht genug Hintergrundwissen in der Leistungselektronik, um die Mechanismen für diese vollständig zu verstehen, aber es erfordert immer noch mehrere Induktoren und ein gewisses Durcheinander von externen Schaltungen. Auch sind sie meist in ihrer Stromleistung begrenzt.

Leistungsmodule Dies wäre eine Plug-and-Tucker-Lösung, aber es nimmt den Spaß am Selbermachen, ganz zu schweigen davon, dass sie ziemlich groß sind und viel Platz auf der Platine einnehmen.

Ich habe einige Konfigurationen gesehen, bei denen eine Art "Halbgleichrichter" -Diodenanordnung zur Erzeugung einer negativen Versorgung verwendet wird, aber ich verstehe es nicht.

Wenn mir jemand mit genügend Elektronikkenntnissen eine einfach zu implementierende und verständliche Lösung zur Erzeugung einer negativen Spannungsversorgung erklären könnte, wäre das fantastisch. Hier sind meine Einschränkungen:

  • Meine Eingangsspannung beträgt 12V.
  • Ich möchte, dass meine Ausgangsspannung zwischen -12 und -15 V liegt (jeder Wert reicht aus).
  • Ich möchte 1 A Stromausgang.
  • Ich möchte minimale externe Komponenten. Ein paar sind in Ordnung, maximal eine Induktivität.
  • Kümmern Sie sich nicht um Welligkeit, Rauschen, Isolation, Temperatureigenschaften oder irgendetwas anderes.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Sie fragen nach dem schmerzlosesten Weg, und wenn Sie Module erwähnen, sagen Sie, dass es den Spaß am Heimwerken nimmt. Du musst auswählen...
Nun, sie sind auch um Größenordnungen teurer.
@darksky sie sind teuer, weil sie oft einen integrierten Transformator und eine Flyback-Topologie haben, die leider benötigt werden, um bei so hohen Strömen eine negative Schiene zu isolieren und zu erzeugen. Ich verstehe, wonach Sie fragen - Sie möchten keine einteilige Lösung, die überhaupt keinen Aufwand erfordert, aber Sie möchten auch nicht viel Zeit damit verbringen, ein kompliziertes Netzteil-Setup zu entwerfen. Leider können Sie nur eines dieser Extreme für eine negative Schiene mit so hoher Leistung auswählen :(
Woher beziehst du deine 12V? Vielleicht können wir rückwärts arbeiten und eine andere Lösung finden. Wenn es aus einem AC-DC-Steckerpaket stammt, können Sie einfach ein zweites kaufen und die +12 V des zweiten mit dem GND des ersten verbinden, und dann beträgt der GND des zweiten -12 V relativ zum GND des ersten. Das setzt voraus, dass sie isoliert sind, was sie mit ziemlicher Sicherheit sein werden.
In Ordnung, Sie könnten zunächst versuchen, so etwas wie das TI-Webench-Tool zu verwenden. Sie geben Ihre Spezifikationen ein und es spuckt viele Designs mit TI-Chips aus. Einige von ihnen können ganz einfach sein. Andere Hersteller haben möglicherweise gleichwertige Werkzeuge, z. B. Linear Technology. Aber der TI One ist sehr gut und lässt Sie die geschätzten Kosten/Anzahl der Teile/PCB-Fläche jeder Lösung vergleichen, bietet Simulationsplots usw.
Die 12 V kommen von einem isolierten DC-DC-Wandler, der von einer Autobatterie gespeist wird. Dieses Projekt wird in einem Auto verwendet.
@dim Ich bin gestern auf die WEBBENCH von TI gestoßen, sie ist nett und scheint vernünftig genug. Ich hatte gehofft, dass jemand, der ein Experte ist, einen schnellen und schmutzigen Weg kennt, um die negative Hochstromschiene zu erhalten. Wenn nicht, werde ich wahrscheinlich auf die Lösung von TI zurückgreifen, oder vielleicht sogar auf diese hier: ti.com/tool/PMP4369
Sie könnten das Design des PMP4369 tatsächlich replizieren. Sie können es einfacher machen, indem Sie den Überspannungsteil eventuell weglassen (testen Sie einfach gründlich, ob er sich korrekt verhält, bevor Sie etwas Teures an seinem Ausgang anschließen).
Die einfachste Lösung könnte darin bestehen, das Signal so zu verschieben, dass es immer positiv ist, anstatt eine negative Versorgungsspannung zu erzeugen.
„Ich bin ein Software-Typ“ – dann hol dir einen Hardware-Typen ins Team, wenn dein Schulprojekt Lebenszeichen zeigen soll.
Ist das überhaupt der richtige Ansatz? Bei Audiosignalen möchten Sie keine DC-Vorspannung im Eingangssignal reproduzieren, selbst wenn sie vorhanden ist. Fast alle ähnlichen Lösungen verwenden eine DC-Sperrkappe (oder einen Transformator) und spannen das Eingangssignal auf Vmid bei der Mittenspannung Ihres ADC-Eingangsbereichs neu vor. Machen Sie dasselbe am Ausgang, um die DC-Vorspannung zu entfernen (vorausgesetzt, dies ist eine DSP-App, kein Verstärker, es gibt andere Lösungen, um Audioverstärker an unsymmetrischen Netzteilen zu betreiben).
@DeanFranks, hochwertige Audioprozessoren liefen jahrzehntelang mit + -15 V, dies ist die Standardanordnung in der Audiowelt.
Richtig, aber die Verwendung von linearen Netzteilen mit zwei Schienen, normalerweise in einer Tracking-Konfiguration, um 0 V als Vmid aufrechtzuerhalten, ohne zu versuchen, eine negative Schiene mit einem kostengünstigen Schaltwandler zu erzeugen. Um den Geräuschpegel auf der negativen Schiene niedrig genug zu machen, ist ein anständiger Linearregler (wahrscheinlich ein LDO) nach dem Schaltnetzteil erforderlich, es sei denn, Sie interessieren sich nicht für das Rauschen der Stromversorgung auf der negativen Schiene (unwahrscheinlich).
Warum nicht alle Ihre Signale auf die Hälfte Ihrer Hauptspannung vorspannen? Oder anders ausgedrückt, verwenden Sie einen Operationsverstärkerpuffer, um die Hälfte Ihrer Hauptspannung zu erzeugen, und verwenden Sie dann den Ausgang dieses Puffers als Schaltkreismasse.
@immibis Ich habe Schwierigkeiten, mir das vorzustellen. Würden Sie bitte eine Antwort mit Ihrem Vorschlag posten?
Keine Antwort wert, da es sich um eine bestimmte Teilenummer handelt, aber ich schlage vor, Sie überprüfen dies: LMZ34002 . Etwa 10 Euro, jeden Cent wert, es sei denn, Sie müssen mehrere k-Einheiten herstellen.
@VladimirCravero, Sie können einem OP, der maximal einen Induktor haben möchte, ein komplexes QFN-Gehäuse mit 0,9 mm Abstand und 5 unabhängigen unteren Schnecken nicht ernsthaft empfehlen, oder?
@AliChen Nun, der Induktor befindet sich im Paket. 0,9 mm können sogar von Hand gelötet werden, mit Ausnahme der lästigen Pads ... Außerdem passt mein Vorschlag zu allen OP-Einschränkungen, also ja, ich empfehle es.
Ich bemerkte auch die seltsame Verpackung darauf :) Das wäre wirklich schwer zu löten.

Antworten (6)

Das invertierende SMPS scheint am geeignetsten zu sein

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Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Wenn Q1 eingeschaltet ist, baut sich Strom in L1 auf und speichert Energie darin. Wenn Q1 ausschaltet, fließt weiterhin Strom in L1, und es muss diesen Strom von D1 ziehen, Ladung aus C1 ziehen, also auf eine negative Spannung ziehen. Der L1-Strom fällt während dieser Phase ab, da die Spannung darüber negativ ist.

Diese Art von Schaltung liefert gerne Ampere, sogar 10 Ampere. Sie können für Q1 einen p-BJT oder einen p-FET verwenden.

Die Steuerung besteht aus dem Erfassen der Ausgangsspannung und dem Ändern/Stoppen des Leistungsschalterantriebs.

Die üblichen Verdächtigen, Analog Devices, Texas, Linear und Maxim, haben alle integrierte Netzteilsteuerungsteile, die so konfiguriert werden können, dass sie in dieser Topologie funktionieren, wenn Sie sie nicht von Grund auf neu bauen möchten.

Für eine Anwendung mit besonders hoher Last oder geringer Welligkeit können Sie zwei dieser gegenphasig angesteuerten Wandler parallel schalten oder sogar noch mehr Wandler, die in unterschiedlichen Phasen angesteuert werden, um eine gleichmäßigere Stromabgabewellenform in den Ausgangsfilter zu erhalten.

Ich denke, Ihr Rat würde auf schmerzhafteste Weise dazu führen, eine negative 1-A-Schiene zu erstellen.
@HarrySvensson Nein, das Feedback erfolgt nicht impulsweise. Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu tun, Spannungssteuerung und Stromsteuerung. Bei der Spannungssteuerung, die einfacher zu verstehen, aber schwieriger zu stabilisieren ist, betreibt ein VCO die PWM am Transistorschalter, und die Rückkopplung steuert das PWM-Tastverhältnis, das die nominale Ausgangsspannung steuert. Die Stromsteuerung umfasst das Erfassen des in der Induktivität fließenden Stroms, das Ausschalten des Schalters, wenn er über einem Schwellenwert liegt, und das Verwenden der Rückkopplung zum Steuern des Schwellenwerts. Ein festes Tastverhältnis von 50 % ist schmerzloser, aber weniger genau.
Vielen Dank, dass du das erklärt hast! Ich werde bald mehr über diese spezielle Konfiguration lesen.
Die erste ist völlig schmerzlos, um einen festen Arbeitszyklus wie 50% zu verwenden. Dies bedeutet, dass die Nennausgangsspannung gleich der Eingangsspannung ist. Gilt nicht für leichte Lasten, es sei denn, Sie planen, anstelle der Diode einen synchronen MOSFET zu verwenden. Bei einer leichten Last erhalten Sie eine große böse negative Spannung, die nicht reguliert ist.
@Neil_UK stimmte zu. Deshalb habe ich meinen vorherigen Kommentar gelöscht.
@darksky Hallo, du musst meine Antwort ablehnen, damit ich sie löschen kann. Wie Andy alias darauf hinweist, funktioniert es nicht wie gezeichnet mit einem festen Arbeitszyklus, qualifiziert sich also nicht für schmerzlos.
@Andyaka danke für den Hinweis. Ich habe versucht, meine Antwort zu löschen, kann dies aber nicht, da sie akzeptiert wird. Geändert, um zumindest den Fehler zu beseitigen.
@Neil_UK Angesichts der Korrektur und der erforderlichen moderaten Ausgangsleistung denke ich immer noch, dass dies die richtige Antwort ist, Alter.
@Neil_UK Ihre Antwort ist für mich und möglicherweise zukünftige Leser immer noch von großem Wert, da sie den Mechanismus der Wirkungsweise der Schaltkreise grob lehrt und eine Lösung für meine Frage bietet. Natürlich werde ich es nicht wörtlich verwenden, dies dient nur zum Erlernen der Grundlagen. Wenn Sie der Meinung sind, dass einige Teile davon überarbeitet werden müssen, können Sie dies gerne tun.
Der Versuch, das Schalten als einziges Mittel zum Regeln des Ausgangs zu modulieren, könnte etwas schmerzhaft sein, aber wenn kein einzelner Impuls die Ausgangskappe zu stark schwingen lässt, könnte man die obige Schaltung mit einem Low-Dropout-Linearregler am Ausgang kombinieren. Wenn der Regler 12,5-15 V in 12 V umwandelt, schalten Sie einfach die obige Schaltung mit einem angemessenen Worst-Case-Tastverhältnis ein, wenn der Ausgang unter 13 Volt liegt, und schalten Sie ihn aus, wenn der Ausgang darüber liegt.

Sie könnten einen altmodischen LM2596 verwenden, der einstellbar ist, um eine -12-V-Versorgung herzustellen. Mit mindestens 10 V sollten Sie in der Lage sein, etwa 1 A bei 12 V herauszuholen (5-V-Versionsschema gezeigt).

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Befolgen Sie die Designinformationen im Datenblatt genau und Sie sollten in Ordnung sein. Stellen Sie insbesondere sicher, dass die Induktivität den Anforderungen entspricht und dass die Empfehlungen für das PCB-Layout befolgt werden.

Der Schutz für eine elektrische Systemquelle eines Fahrzeugs ist zusätzlich, und darauf gehe ich hier nicht ein.

Persönlich würde ich auf jeden Fall die Verwendung eines isolierten 12-15-W-DC-DC-Wandlers für die negative Schiene in Betracht ziehen. Verdrahten Sie einfach den Ausgang, um eine negative Polarität zu erhalten (und legen Sie eine Diode darüber, um eine Sperrvorspannung wie in D3 oben zu verhindern).

Danke. Reicht es aus, R1 und R2 im obigen Design anzupassen, um die Ausgabe auf -12 zu ändern? Ich nehme an, der Induktorwert sollte sich auch ändern.
Da dies ein Abwärtswandler ist, bedeutet dies nicht, dass der Ausgang immer kleiner als der Eingang sein sollte? Bedeutet dies in diesem Fall nicht, dass ich bei einer Abfallspannung von 1 V nur -11 V erhalten kann?
@darksky Welcher Teil von "Datenblatt lesen" war unklar?
Ja, es ist ein Abwärtswandler. -12V ist kleiner als +10V.
Das Datenblatt gibt nur ein Beispiel mit negativem Ausgang, und ihre Widerstandsberechnung gilt für positiven Ausgang. Das ist das Verwirrende.
Es geht speziell auf Ihre Induktorfrage ein und der Rest sollte möglich sein, herauszufinden.
Dies hilft überhaupt nicht. Wenn Sie sich weigern, mir zu helfen, beantworten Sie diese Frage bitte nicht. Wie ich bereits erwähnt habe, bin ich es nicht gewohnt, diese verschlungenen Datenblätter zu lesen. Ein Bild aus einem zufälligen Datenblatt zu kopieren und mir zu sagen, ich solle es selbst herausfinden, ist für mich und möglicherweise viele zukünftige Anfänger, die dies lesen, nutzlos.
Dieses Teil entspricht nicht einmal meinen Anforderungen. Zitat aus dem Datenblatt: "This type of inverting regulator can require relatively large amounts of input current when starting up, even with light loads. Input currents as high as the LM2596 current limit (approximately 4.5 A) are required for at least 2 ms or more, until the output reaches its nominal output voltage.". Meine Versorgung gibt nicht so viel Strom aus.

Der am wenigsten schmerzhafte Weg, analoge Elektronik mit +-15-V-Schienen bei 1 A mit Strom zu versorgen, besteht darin, einen DC-DC-Wandler in +-15 V, 30 W Gesamtleistung zu bringen. Isolierte Wandler sind in Ordnung, Sie müssen auf Welligkeiten prüfen oder sie mit zusätzlichem LDO herausfiltern. Versuchen Sie es mit Digi-Key, etwas wie "Mean Well" DKA30A-15 oder vielen ähnlichen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

" Leistungsmodule Dies wäre eine Plug-and-Tucker-Lösung, aber es nimmt den Spaß am Selbermachen, ganz zu schweigen davon, dass sie ziemlich groß sind und viel Platz auf der Platine einnehmen. " - Schön .
@HarrySvensson Diese Module werden von Profis entworfen und produziert. Es gibt eine bestimmte derzeit erreichte Grenze der Leistungsdichte von DC-DC-Wandlern. Es gibt kein "aber". DYI kann dem unmöglich entsprechen und kann sie nicht kleiner machen. Deshalb macht dieses Gefühl keinen Sinn. Entweder Sie wollen Spaß haben und Fehler machen oder Qualitätskomponenten verwenden und das Problem optimal lösen.

Erstellen Sie aus Ihren 12 V eine halbe Schiene - am einfachsten 2 Widerstände. Koppeln Sie den Eingang kapazitiv, um den DC-Swing unter 0 zu entfernen. Stellen Sie den Eingang des Operationsverstärkers (nach der Kappe) auf 6 V vor. Ihr Ausgang wird 0-12 um den 6-V-Punkt schwingen.

Wenn Sie wirklich NUR die -12V und Masse an Ihrem Gerät verwenden (und nicht auch die anderen +12V), können Sie einfach die -12V des Geräts verwenden, es mit Masse verbinden und die Gerätemasse mit +12V verbinden. Sie erhalten also invertierte Leistung. Aber sei dir sicher: Das funktioniert nur, wenn du -12V und Masse benötigst und NICHTS MEHR. Extra: Keine zusätzlichen Komponenten erforderlich.

Ich werde auf jeden Fall die +12V sowie die -12V brauchen.

Wenn Sie eine 24-V-Versorgung hätten, könnten Sie einen Mittelabgriff oder Spannungsteiler verwenden, um 0-V-, 12-V- und 24-V-Schienen zu erhalten, die Sie in -12 V, 0 V und 12 V umbenennen.

Sie können dies auch tun, indem Sie 2 unabhängige isolierte 12-V-Versorgungen verwenden und das + der einen mit dem - der anderen verbinden:

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Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Auf diese Weise können Sie jede Versorgung entsprechend dimensionieren, falls die 0- bis 12-V-Schiene mehr Strom benötigt als die -12- bis 12-V-Schiene.

Leider habe ich nur ein 12V Netzteil.
Könnten Sie diese Methode mit zwei DC-DC-Wandlern mit isolierten Ausgängen verwenden?
@Willtech Sie müssen isoliert werden, damit Sie keinen Kurzschluss erstellen.
Ah, ich habe es bearbeitet und dann wurde Ihr Kommentar angezeigt. Danke schön.
ping @darksky hilft das?
Was ist der schmerzloseste Weg, um eine Hochstromversorgung mit negativer Spannung von einer positiven zu erhalten?
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