Unipolare Versorgungsspannungen aufsplitten und wandeln

Bild 1: Ersatzschaltung des linearen Rail Splitter TLE2426. Texas Instruments

Soll beispielsweise bei unsymmetrischer Versorgungsspannung ein Operationsverstärker symmetrisch betrieben werden oder ist die Nutzung des vollen  Dynamikbereichs eines A/D-Wandlers gewünscht, können unterschiedliche Methoden zum symmetrischen Aufteilen von Betriebsspannungen (Rail Splitter) zum Einsatz kommen. Gemeint ist damit das Generieren eines 0-V-Bezugspunkts, häufig bei der Hälfte der ursprünglichen Versorgungsspannung, wie etwa ±12 V aus 24 V. Nach außen bleiben die Potenziale unverändert, hinter der Schaltung gewinnt man eine bipolare Spannung um den neuen 0-V-Punkt herum.

Häufig werden fürs Rail Splitting Linearregler verwendet. Sind hohe Ausgangsleistungen gewünscht oder die Anforderungen an Störsignale nicht zu hoch, kommen Schaltregler in Frage. Die neue 0-V-Masse wird als virtuelle Masse bezeichnet, denn sie ist in der Regel keine echte Masse, also fern vom Erdpotenzial (GND). Bild 1 illustriert das Konzept, bei dem die Eingangsspannung geteilt und gepuffert wird, um eine Masse an Pin 1 zu generieren.

Varianten der Rail-Splitter-Schaltung teilen und verändern zugleich die Eingangsspannung in zwei -oder mehrere Ausgangsspannungen. Zum Beispiel lässt sich aus 3,3 V am Eingang eine Spannung von ±5 V am Ausgang generieren. Dies geschieht mit Schaltwandlern vom Typ Aufwärtswandler (Boost Converter) oder mit Abwärts-Aufwärtswandlern (Buck Boost Converter).

Eine weitere Variante generiert aus unipolarer Eingangsspannung eine betragsgleiche, aber invertierte Ausgangsspannung; zum Beispiel -5 V aus +5 V. Als Ergebnis erhält man auch eine bipolare Spannung von ±5 V. Natürlich erzeugt diese Schaltung keinen virtuellen Massepunkt, was jedoch kein Nachteil sein muss, denn die Masse der Quellspannung 5 V ist ja vorhanden.

Grundsätzlich ließen sich abgeleitete Versorgungsspannungen auch mit Spannungsteilern aus Widerständen realisieren, allerdings eignet sich diese Technik nur für kleine Lasten mit hoher Impedanz wie beispielsweise bei Operationsverstärker-Eingängen. Dieser Beitrag behandelt jedoch Rail Splitter mit niedriger Ausgangsimpedanz.

Bild 2: Linearer Rail Splitter TPS51200 für kleine Spannungen. Texas Instruments

Lineare Rail-Splitter-Schaltungen

Der TLE2426 erzeugt aus einer Eingangsspannung zwischen 4 und 40 V eine niederohmige Ausgangsspannung halber Größe (Bild 1). Der Standardbaustein ist für einen Temperaturbereich von 0  bis +70 °C spezifiziert, die Automotive-Ausführung TLE2426-Q1 für -40 bis +125 °C und die Spezialversion TLS2426-EP für -55 bis +125 °C. Die Ruhestromaufnahme beträgt 170 μA, der Offset am Ausgang misst 100 μV innerhalb des Laststrombereichs von maximal ±10 mA. Kapazitive Lasten sind zulässig gemäß den Spezifikationen im Datenblatt. Bei Bedarf beschleunigt ein Filterkondensator den Hochlauf.

Der TLE2426 benötigt eine Mindest-Eingangsspannung von 4 V, die ihn für kleinere Betriebsspannungen ausschließt. Der ebenfalls lineare TPS51200 überwindet diese Grenze. Er funktioniert als Stromquelle und –senke, ist für Temperaturen von -40 bis +85 °C spezifiziert, als Automotive-Version TPS51200-Q1 für -40 bis +125 °C. Die integrierte Schaltung akzeptiert am Eingang eine Spannung von 1,1 bis 3,5 V, die Ausgangsspannung beträgt zwischen 0,5 und 1,8 V. Der Baustein benötigt eine Eigenversorgung von 3,3 oder 2,5 V. Das Teilverhältnis wird am REF_IN-Eingang bestimmt, der zweckmäßig mithilfe eines Widerstandsteilers vom V_LDO-IN-Pin beschaltet wird.

Tabelle 1: Spannungsreferenzen für Rail-Splitter-Anwendungen. Texas Instruments

Ebenso wie beim TLE2426 ist die Spannung der virtuellen Masse ungeregelt. Sie hängt von der Spannung an REF_IN ab und folgt dieser. Ihre Stabilität bestimmt die Qualität des Massepotentials. Ein Filterkondensator an REF_IN wirkt zusätzlich dämpfend auf AC-Störgrößen. Die fehlende Regelung der Eckspannungen ist unkritisch, wenn die virtuelle Masse V_O als Gleichtaktspannung im gesamten System einschließlich des ADC verwendet wird. Besitzt der ADC einen echten oder pseudo-differenziellen Eingang, so erscheint diese Gleichtaktspannung an beiden Eingängen und wird infolge der Gleichtaktunterdrückung entfernt.

Der Grenzstrom des TPS51200 ist größer als 3 A; das QFN-Gehäuse ermöglicht je nach Umgebung höhere Ausgangsströme. Der virtuelle Masseausgang erfordert keramische Pufferkondensatoren mit einem ESR unterhalb von 2 mΩ. Sie sind so nah wie möglich am V_Out-Pin und auf derselben Leiterplattenseite wie der TPS51200 zu platzieren. Weitere Details im Datenblatt.

Getaktete Rail Splitter für Ströme bis 6 A

Für Ausgangsströme bis ±6 A eignet sich der getaktete Rail Splitter TPS53317, der Eingangsspannungen von 1 bis 6 V verarbeitet und Ausgangsspannungen von 0,6 bis 2 V generiert. Er basiert auf der DCap+ genannten Regelung, die für schnelle Lastsprünge konzipiert ist. Der Baustein benötigt eine Hilfsspannung von 5 V. Der Ausgang liefert bei unbeschaltetem VREF_IN-Pin die interne Referenzspannung von 2 V.

Spannungsreferenzen für stromsparendes Rail Splitting

Bild 3: Lineare Doppelreferenz REF20xx. Texas Instruments

Einsatzbereiche mit Batterien oder mit sogenannter Energy-Harvesting-Versorgung erfordern besonders stromsparende Rail Splitter. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht über Spannungsreferenzen, die für diesen Zweck zum Einsatz kommen können. Einige fungieren als Stromquelle und Stromsenke, die meisten sind an kapazitiven Lasten stabil. Obgleich für den REF3xxx nur Versionen mit 1,25 V Ausgangsspannung aufgelistet sind, gibt es Ausführungen für andere Spannungen. Die Teilung der Versorgungsspannung mithilfe einer Spannungsreferenz erfordert oft Kompromisse an die Symmetrie der Aufteilung. Ist beispielsweise eine Spannung von 3,3 V zu teilen, wäre eine 1,8-V-Spannungsreferenz der nächste geeignete Baustein. Somit erhält man eine asymmetrische Versorgungsspannung von +1,8 V/-1,5 V.

Die Spannungsreferenzen REF19xx und REF20xx besitzen einen zweiten, gepufferten Split-Rail-Ausgang. Dieser stellt Signalketten-Bausteinen eine Vorspannung bereit, die der Hälfte der Spannung am Haupt-Referenzausgang entspricht. Die Version REF1930 zum Beispiel besitzt einen Hauptausgang (V_ref) mit 3 V und zusätzlich einen gepufferten 1,5-V-Ausgang.

Operationsverstärker als Rail Splitter

Ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen gefolgt von einem Operationsverstärker (OPV) als Impedanzwandler bildet eine belastbare virtuelle Masse. Bei OPVs ist unbedingt zu beachten, dass diese in der Regel nicht für kapazitive Lasten vorgesehen sind, speziell bei der Beschaltung mit Verstärkungsfaktor eins. Bausteine wie der LPV521 kommen zwar infrage, tolerieren aber nur eine begrenzte Kapazität am Ausgang. Im Datenblatt finden sich Einzelheiten zur Phasenreserve.

Tabelle 2: Operationsverstärker für Rail-Splitter-Anwendungen. Texas Instruments

Viele OPVs kommen mit größeren Lastkapazitäten zurecht, wenn sie mit einem Serienwiderstand vom Ausgang entkoppelt werden. Das Datenblatt zum LPV512 zeigt diese Möglichkeit ebenso wie die Verwendung einer RC-Beschaltung zur Verbesserung der Phasenreserve. Einige Operationsverstärker, darunter auch die LM8x- oder LM7x-Reihen in Tabelle 2, können nach Datenblatt aufgrund ihrer Architektur an beliebigen Lastkapazitäten betrieben werden. Der BUF634 ist ebenfalls aufgeführt, weil er im Rückkopplungspfad eines Präzisions-Operationsverstärkers verwendet werden kann, um eine Art Verbund-Operationsverstärker mit hoher Genauigkeit und hoher Treiberleistung am Ausgang zu konfigurieren. Ungeachtet dessen sind kapazitive Lasten nur eingeschränkt möglich.

Negative Hilfsspannung für Rail-to-Rail-Operationsverstärker

Bild 4: Getaktete negative Hilfsspannung LM7705. Texas Instruments

Der getaktete LM7705 generiert aus einer positiven Eingangsspannung von 3 bis 5,25 V eine Ausgangsspannung von -232 mV mit bis zu 26 mA. Der Einsatzzweck dieses Bausteins sind Anwendungen mit unipolarer Betriebsspannung, bei denen Operationsverstärker-Ausgangsignale bis tatsächlich 0 V herab benötigt werden. In solchen Single-Rail-Applikationen geraten selbst die so genannten Rail-to-Rail- Operationsverstärker bereits etwas oberhalb von 0 V in die Sättigung. Hier hilft der LM7705, indem er eine kleine negative Versorgungsspannung bereitstellt.  Je kleiner die Betriebsspannungen in der Schaltung sind, umso mehr ist es notwendig, den verfügbaren Bereich in vollem Umfang zu nutzen. LM7705 ist ein Ladungspumpen-Regler, dessen Störspektrum am Ausgang sich mit zusätzlichen Vor- und Nachregelstufen auf 4 mV_P-P senken lässt.

Invertierende Ladungspumpe mit geringem Rauschen

Einfache invertierende Ladungspumpen beispielsweise der TPS60400-Familie erzeugen am Ausgang eine Spannung, die den gleichen Betrag wie die Eingangsspannung hat, aber mit invertiertem Vorzeichen. Da der Ausgang ungeregelt ist, werden sie zweckmäßig mit einem Baustein wie dem TPS72301 kombiniert, einem linearen Low-Drop-Out-Regler (LDO) mit negativem Ausgang und hoher Versorgungsspannungsunterdrückung. Damit erhält man eine geregelte Ausgangsspannung mit geringem Rauschen. Bausteine der Reihe TPS6040x sind auch als Automotive-qualifizierte Versionen (TPS6040x-Q1) verfügbar.

DC/DC-Wandler als Rail Splitter für Ströme bis 1,5 A

Bild 5: DC/DC-Wandler TPS63700 für negative Spannungen. Texas Instruments

Der getaktete TPS63700 verarbeitet Eingangsspannungen von 2,7 bis 5,5 V zu Ausgangsspannungen zwischen -2 und -15 V. Der Baustein basiert auf einer Buck-Boost-Topologie und arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 1,38 MHz. Der Ausgangsstrom beträgt maximal 360 mA.

Das im User Guide zum Evaluation-Board vorgegebene Leiterplatten-Layout sollte übernommen werden, sofern geringe Störsignale gewünscht sind. Hochfrequentes Rauschen am Ausgang kann zusätzlich per LC-Filter mit Ferritperlen-Drossel vermindert werden.

Für kompakte Lösungen eignet sich der LMR70503, der eine Eingangsspannung von 2,8 bis 5,5 V in eine Ausgangsspannung von -0,9 bis -5,5 V wandelt. Der verfügbare Ausgangsstrom hängt von den gewählten Ein- und Ausgangsspannungen ab. Bei V_in = 3,3 V und V_out = -5 V beträgt er etwa 75 mA. Der Baustein ist im DSBGA-Gehäuse verfügbar.

Tabelle 3: DC/DC-Wandler mit positiven und negativen Ausgangsspannungen. Texas Instruments

Der getaktete TPS54160A, ein 1,5-A-Abwärtswandler mit maximal 60 V Eingangsspannung, ermöglicht eine Reihe von Designvarianten. Der Baustein ist vielseitig, beispielsweise um ±12 V aus einer Eingangsspannung von 24 V zu erzeugen. Zur rauscharmen Versorgung analoger Bauelemente werden LDO-Regler mit geringem Rauschen nachgeschaltet. Bei negativen Spannungen kommen der TPS7A3001 (0,2 A) oder der TPS7A3301 (1 A) infrage, für positive Spannungen der TPS7A4901 (0,15 A) oder der TPS7A4700 (1 A). Für höhere Ströme eignet sich der TPS54260.

Bild 6: DC/DC-Wandler TPS65130/1 für positive und negative Spannungen. Texas Instruments

Bipolare DC/DC-Wandler

Die getakteten Bausteine TPS65130/1/2/3 generieren aus unipolaren Eingangsspannungen im Bereich 2,7 bis 5,5 V bipolare Ausgangsspannungen bis ±15 V mit Lastströmen bis 200 mA. Bei Schaltreglern sollte die Verlustleistung extern beteiligter Komponenten berücksichtigt werden, um die maximale Ausgangsleistung der Schaltung zu bestimmen. Die Wirkungsgrad-Kennlinien im Datenblatt helfen bei der Bestimmung der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Verlustleistung für jede Ausgangsspannung.

Unipolare Versorgungsspannungen lassen sich  über viele Methoden aufsplitten und wandeln. Abhängig von den erforderlichen Spannungs- und Stromwerten bietet TI IC-Bausteine wie lineare und getaktete Rail Splitter, Operationsverstärker,  Spannungsreferenzen, Ladungspumpen sowie uni- und bipolare DC/DC-Wandler.  Bei der Auswahl spielen Faktoren wie Ausgangsrauschen, -welligkeit, -stabilität, -belastbarkeit und Effizienz, aber auch Bauteilgröße, Schaltungsaufwand und -kosten eine wichtige Rolle.

(jwa)