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Application Notes | 08 Oktober 2021
Kleine Spannungen erzeugen
In den letzten Jahren sind die Versorgungsspannungen von elektronischen Bauteilen immer weiter gesunken. Ursache hierfür sind die immer kleineren geometrischen Strukturen von digitalen Schaltkreisen, wie beispielsweise uControllern, CPUs, DSPs usw. Auch gibt es Anwendungen im Messtechnischen Bereich, bei welchen kleine Versorgungsspannungen benötigt werden.
Linearregler und Schaltregler hatten für viele Jahre eine Feedbackspannung von ca. 1,2V. Diese Spannung wurde mit einer Bandgapschaltung im DC/DC Wandler IC erzeugt und bestimmte die niedrigste Spannung, welche mit einem externen Widerstandsteiler eingestellt werden kann. Mittlerweile können die meisten aktuellen Spannungsregler ICs Ausgangsspannungen von 0,8V, 0,6V oder gar 0,5V erzeugen. Hierfür ist die interne Spannungsreferenz so konstruiert, dass kleinere Spannungen entstehen. Bild 1 zeigt einen solchen Schaltregler, wie den LTC3822, welcher mit 0.5V Spannungsreferenz eine FB Spannung von 0.5V erzeugt.
Bild 1. Ein LTC3822 DC/DC Wandler zum Erzeugen von kleinen Ausgangsspannungen von 0,5V oder höher
Wenn jedoch eine Versorgungsspannung von kleiner als 0,5V benötigt wird, lässt sich die Schaltung in Bild 1 nicht so ohne Weiteres nutzen.
Durch einen Trick kann man einen Schalregler oder Linearregler dazu bringen auch niedrigere Spannungen als die Feedbackspannung zu erzeugen. Dies kann mit einer Schaltung wie in Bild 2 erreicht werden Es ist eine zusätzliche positive Versorgungsspannung nötig, an welche der Widerstandsteiler zum Einstellen der Ausgangsspannung angeschlossen wird.
Diese Spannung kann von einem kleinen Linearregler oder von einer Spannungsreferenz kommen. Somit bildet der Widerstandsteiler einen Spannungsteiler in welchem der Stromfluss Ifb umgekehrt zum üblichen Fall in Bild 1 fließt. In Bild zwei fließt der Strom von der externen Referenzspannung über den Widerstandsteiler zur Ausgangsspannung.
Bild 2. Die Schaltung von Bild 1 abgewandelt um Ausgangsspannungen kleiner als 0.5V zu erzeugen
Dieses Konzept funktioniert im Allgemeinen gut, um Spannungen unterhalb der festgelegten Minimalspannung eines Schaltreglers oder Linearreglers zu erzeugen. Dennoch gibt es einiges zu beachten. Die zusätzliche Spannungsreferenz sollte vor dem Einschalten des DC/DC Wandlers zur Verfügung stehen. Wenn diese Hilfsspannung bei 0V liegt, oder gar eine hohe Impedanz hat, würde der DC/DC Wandler möglicherweise eine zu hohe Spannung erzeugen und die Schaltung der Last beschädigen.
Im ungünstigen Fall, bei welchem der Schaltregler noch nicht eingeschaltet ist, die Hilfsspannung jedoch bereits anliegt, könnte der Strom Ifb durch den Widerstandsteiler den Ausgangskondensator auf Spannungen oberhalb der eingestellten Spannung ansteigen. Dies kann passieren, wenn die Last eine sehr hohe Impedanz hat. Eventuell muss hier eine Minimallast installiert werden.
Die Genauigkeit der Hilfsspannung am Widerstandsteiler (1V in Bild 2) geht direkt in die Genauigkeit der erzeugten Versorgungsspannung ein. Somit ist es hilfreich, eine besonders saubere Spannung mit nur wenig Welligkeit für diesen Zweck zu benutzen.
Auch eignet sich nicht jeder Spannungswandler für einen solchen Betrieb. Wenn beispielsweise der Ausgangsstrom gemessen wird, könnte es sein, dass der Messbereich des Strommessverstärkers im DC/DC Wandler nur einen Betriebsbereich bei höheren Spannungen vorsieht. Auch ist darauf zu achten, dass zum Erzeugen von sehr kleinen Spannungen bei recht hohen Eingangsspannungen, ein kleiner Duty-Cycle benötigt wir. Hier kann die Wahl eines Schaltregler ICs mit einer kurzen minimalen on-time und auch das Betreiben bei einer niedrigen Schaltfrequenz hilfreich sein.
Bild 3. Zur ersten Überprüfung der Schaltung eignet sich ein Simulationswerkzeug wie LTspice von Analog Devices
Um den Betrieb eines Linearreglers oder Schaltreglers mit niedrigeren Ausgangsspannungen als vorgesehen zu betreiben, eignet sich eine erste Überprüfung anhand eines Simulationswerkzeuges, wie LTspice von Analog Devices. Bild 3 zeigt die Schaltung eines LTC3822 mit einer zusätzlichen Spannungsquelle als Bias für den Feedbackpfad. In dieser Schaltung wird eine Ausgangsspannung von 200mV erzeugt. Der LTC3822 ist laut Datenblatt für die Erzeugung von minimalen Ausgangsspannungen von 0.5V geeignet. In einer Schaltung könnte man die Hilfsspannung, Spannungsquelle V2 in Bild 3, durch einen kleinen Linearregler oder mit einer Spannungsreferenz implementieren. Durch den hier erwähnten Trick und gründlicher Überprüfung der Schaltung lassen sich auch kleinere Ausgangsspannungen erzeugen.
Über den Autor: Frederik Dostal, © Analog Devices
Bild 1. Ein LTC3822 DC/DC Wandler zum Erzeugen von kleinen Ausgangsspannungen von 0,5V oder höher
Wenn jedoch eine Versorgungsspannung von kleiner als 0,5V benötigt wird, lässt sich die Schaltung in Bild 1 nicht so ohne Weiteres nutzen.
Durch einen Trick kann man einen Schalregler oder Linearregler dazu bringen auch niedrigere Spannungen als die Feedbackspannung zu erzeugen. Dies kann mit einer Schaltung wie in Bild 2 erreicht werden Es ist eine zusätzliche positive Versorgungsspannung nötig, an welche der Widerstandsteiler zum Einstellen der Ausgangsspannung angeschlossen wird.
Diese Spannung kann von einem kleinen Linearregler oder von einer Spannungsreferenz kommen. Somit bildet der Widerstandsteiler einen Spannungsteiler in welchem der Stromfluss Ifb umgekehrt zum üblichen Fall in Bild 1 fließt. In Bild zwei fließt der Strom von der externen Referenzspannung über den Widerstandsteiler zur Ausgangsspannung.
Bild 2. Die Schaltung von Bild 1 abgewandelt um Ausgangsspannungen kleiner als 0.5V zu erzeugen
Dieses Konzept funktioniert im Allgemeinen gut, um Spannungen unterhalb der festgelegten Minimalspannung eines Schaltreglers oder Linearreglers zu erzeugen. Dennoch gibt es einiges zu beachten. Die zusätzliche Spannungsreferenz sollte vor dem Einschalten des DC/DC Wandlers zur Verfügung stehen. Wenn diese Hilfsspannung bei 0V liegt, oder gar eine hohe Impedanz hat, würde der DC/DC Wandler möglicherweise eine zu hohe Spannung erzeugen und die Schaltung der Last beschädigen.
Im ungünstigen Fall, bei welchem der Schaltregler noch nicht eingeschaltet ist, die Hilfsspannung jedoch bereits anliegt, könnte der Strom Ifb durch den Widerstandsteiler den Ausgangskondensator auf Spannungen oberhalb der eingestellten Spannung ansteigen. Dies kann passieren, wenn die Last eine sehr hohe Impedanz hat. Eventuell muss hier eine Minimallast installiert werden.
Die Genauigkeit der Hilfsspannung am Widerstandsteiler (1V in Bild 2) geht direkt in die Genauigkeit der erzeugten Versorgungsspannung ein. Somit ist es hilfreich, eine besonders saubere Spannung mit nur wenig Welligkeit für diesen Zweck zu benutzen.
Auch eignet sich nicht jeder Spannungswandler für einen solchen Betrieb. Wenn beispielsweise der Ausgangsstrom gemessen wird, könnte es sein, dass der Messbereich des Strommessverstärkers im DC/DC Wandler nur einen Betriebsbereich bei höheren Spannungen vorsieht. Auch ist darauf zu achten, dass zum Erzeugen von sehr kleinen Spannungen bei recht hohen Eingangsspannungen, ein kleiner Duty-Cycle benötigt wir. Hier kann die Wahl eines Schaltregler ICs mit einer kurzen minimalen on-time und auch das Betreiben bei einer niedrigen Schaltfrequenz hilfreich sein.
Bild 3. Zur ersten Überprüfung der Schaltung eignet sich ein Simulationswerkzeug wie LTspice von Analog Devices
Um den Betrieb eines Linearreglers oder Schaltreglers mit niedrigeren Ausgangsspannungen als vorgesehen zu betreiben, eignet sich eine erste Überprüfung anhand eines Simulationswerkzeuges, wie LTspice von Analog Devices. Bild 3 zeigt die Schaltung eines LTC3822 mit einer zusätzlichen Spannungsquelle als Bias für den Feedbackpfad. In dieser Schaltung wird eine Ausgangsspannung von 200mV erzeugt. Der LTC3822 ist laut Datenblatt für die Erzeugung von minimalen Ausgangsspannungen von 0.5V geeignet. In einer Schaltung könnte man die Hilfsspannung, Spannungsquelle V2 in Bild 3, durch einen kleinen Linearregler oder mit einer Spannungsreferenz implementieren. Durch den hier erwähnten Trick und gründlicher Überprüfung der Schaltung lassen sich auch kleinere Ausgangsspannungen erzeugen.Über den Autor: Frederik Dostal, © Analog Devices
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