正转正负电源方案

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正转正负电源方案

针对日经,如何从一个正电源生成正负电源,来给模拟电路供电的问题,这里做一个方案总结。

其中加粗的芯片为比较好买的。

1 非隔离

1-1 稳压

1-1-1 SIMO

最近这些年新出现的拓扑,单个电感实现稳压的正负压输出,适合低压小电流体积敏感的场景。

输出能力较差(通常100mA以内)。

占板面积小。

电压范围窄,通常只适合低压(通常±6V以内)。

外围较为简单,因为双通道只需要一个电感,以及一些外围容阻。

可用芯片:SGM3804TPS65135

应用样例1:2.4V~5V输入,±5V输出,最大输出电流±100mA,空间敏感场景

如果对噪声要求不高的话,单片SGM3804-2即可,如果需要低噪声输出,那么SGM3804-4搭配TPS7A3901是个不错的选择。

1-1-2 Boost+Inverting Buck-Boost

很简单的拓扑,有专门的二合一芯片可以用,也可以用单独的一个Boost芯片和一个Buck芯片。

二合一芯片通常输出能力中等(1A以下),分立的同步整流的Boost+Buck芯片输出能力可以较强(高至几A到十几A)。

占板面积中等。

电压范围较宽。

外围复杂度中等,需要两个电感加一些外围容阻,有的还需要外部二极管。

可用芯片(二合一):TPS65133TPS65131TPS65130ADP5071,ADP5072,ADP5076,R1283R1286,R1287,BD8316,BD8317,MAX25520,LV52117,LPQ65131,SGM3802。

可用芯片(分立):基本所有的Boost和Buck芯片。

应用样例1:2.3V~5V输入,±5V输出,最大输出电流±150mA,空间与噪声敏感场景

SGM3802输出±6V给到TPS7A3901,TPS7A3901输出±5V。

应用样例2:5V输入,±12V输出,最大输出电流±100mA,空间敏感场景

R1283。

应用样例3:5V~15V输入,±12V输出,最大输出电流±150mA,噪声敏感场景

ADP5071配置为SEPIC+Inverting Buck-Boost,输出±13V,后级搭配TPS7A3001+TPS7A4901即可。由于ADP5071自带摆率限制,所以其EMI较低,比较适用与噪声敏感的应用。

应用样例4:9V~15V输入,±18V输出,最大输出电流±1A,空间敏感场景

TPS61178+LM61460,可外部频率同步来改善EMI,并且降低对输入电容的要求。

1-1-3 SEPIC+Ćuk(双通道独立)

略复杂一点的拓扑,有专门的二合一芯片可以用,也可以用单独的一个SEPIC芯片和一个Ćuk芯片。

由于通常为非同步整流,并且无源器件的内阻会大一些,所以输出能力较差(1A以下)。

占板面积较大。

电压范围较宽。

外围复杂度较高,需要耦合电容+两个耦合电感或四个独立的电感+外部二极管,以及外围容阻。

可用芯片(二合一):LT3471LT8582LT8471LT1945LTM8049

可用芯片(分立):LM2611+LM2733LT1617+LT1615LT1931+LT1930LT3461+LT3462LTM8045LT3479LT3580LT3757LT3758,LT3759,LT3581LT3579,LT3959,LT3958LT3957LT8710LT8580,LT8570,LT8330LT8331,LT8333,LT8334,LT8335,LT8361LT8362LT8364LT8365,ADPL26001。

LT的部分Boost芯片提供可正压或负压反馈的反馈引脚,可用于SEPIC或Ćuk,两片相同的芯片即可完成正负压输出。

应用样例1:2.4V~12V输入,±5V输出,最大输出电流±300mA,空间敏感场景

LT3471

应用样例2:2.7V~20V输入,±12V输出,最大输出电流±200mA,快速开发场景

LTM8049

应用样例3:5V~24V输入,±12V输出,最大输出电流±2A,高功率场景

用两片LT8710,一片做SEPIC,一片做Ćuk。

1-1-4 Boost+Ćuk

如果正压只需要升压的话,可以将SEPIC+Ćuk中的SEPIC更改为更简单的Boost,外围简单一点并且效率高一点。

由于通常为非同步整流,并且无源器件的内阻会大一些,所以输出能力较差(1A以下)。

占板面积较大。

电压范围较宽。

外围复杂度较高,类似SEPIC+Ćuk,但由于有一个通道是Boost而不是SEPIC,所以略简单一点。

可用芯片:同上,正压可用普通的Boost芯片。

1-1-5 Zeta+Ćuk

较为冷门的拓扑,与SEPIC+Ćuk类似,但优点是输出电流纹波较小,从而让输出电压纹波较小。

类似SEPIC+Ćuk,由于通常为非同步整流,并且无源器件的内阻会大一些,所以输出能力较差。

占板面积较大。

电压范围较宽。

外围复杂度较高,类似SEPIC+Ćuk。

可用芯片:LT8471,LT8711。

应用样例1:3.3V~12V输入,±5V输出,最大输出电流±300mA,噪声敏感场景

LT8471配置为Zeta+Ćuk拓扑后,输出±6.5V,后级搭配LT3097输出±5V。

1-2 非稳压

1-2-1 反相电荷泵

反相电荷泵可以产生一个绝对值略低于输入电压的负压。具体低多少与电荷泵输出阻抗和输出电流有关。

部分电荷泵还集成了倍压负压的功能。

部分反相电荷泵还集成了负压或正负压LDO。

受限于电荷泵输出阻抗的影响,所以通常输出能力较差,但也有个别的输出能力很强(如LTC7820)。

占板面积较小。

电压范围通常较窄(5V以内),但个别LT的型号支持宽范围电源电压。

外围很简单,只需要几个电容,部分稳压输出的还需要几个电阻。

可用芯片(纯电荷泵):MAX889LTC3261LTC7820LTC7825,LT7826,LTC1983LTC1261ADP3605LP3100LP3102LM2776NSC1002FP7721FDT7721FL1002SGM3204SGM3206SGM3207SGM3209

可用芯片(集成负压LDO):LM27761MP5418,ADP5600,MAX1673MAX868,LTC1550,LTC1551SLM5418

可用芯片(集成正负压LDO):LM27762LTC3260LTC3265

除非输出电流极小,否则不推荐使用上古电荷泵芯片,受限于老工艺,他们的开关频率通常不高,从而导致输出阻抗极高。

部分不需外部配置的半压电荷泵也可用作反相,只需将芯片的Vin接系统的Vin,芯片的Vout接系统的GND,芯片的GND接系统的-Vout即可。

应用样例1:5V输入,±3.3V输出,最大输出电流±200mA,空间敏感场景

LM27762

应用样例2:36V输入,-36V输出,最大输出电流10A,高功率场景

LTC7820

应用样例3:5V输入,±9V输出,最大输出电流±50mA,低噪声,低功耗场景

LTC3265先将输入的5V倍压到10V,再通过一个反相电荷泵生成一个-10V,电荷泵生成的±10V再输入到LDO,生成±9V。

应用样例4:12V输入,-12V输出,最大输出电流100mA,快速开发场景

SGM3209

应用样例5:3.3V输入,0V~-2V输出,最大输出电流10mA,低噪声,空间敏感场景

MP5418先通过电荷泵生成一个-3.3V,再给到一个输出可以到0V的负压LDO。

应用样例6: 3.3V输入,±5V输出,最大输出电流±50mA/±100mA,空间敏感场景

LP3100/LP3102

1-3 半稳压

1-3-1 SEPIC+Ćuk(初级合并)

此拓扑利用了在输入电压与输出电压的绝对值均相等时,SEPIC和Ćuk的主开关管占空比相同的原理,合并了SEPIC与Ćuk的初级,使用正压做反馈。

基本所有的非同步Boost转换器/控制器均可以使用此拓扑,只需注意开关管耐压即可。

类似SEPIC+Ćuk,由于通常为非同步整流,并且无源器件的内阻会大一些,所以输出能力较差。

占板面积较大。

电压范围较宽。

外围复杂度较高,类似SEPIC+Ćuk,但可以少一个独立的电感。

可用芯片:基本所有的非同步Boost转换器/控制器。

应用样例1:3.3V~12V输入,±5V输出,最大输出电流正±500mA,成本敏感场景

MP3426

1-3-2 Boost+电荷泵(双通道独立)

此拓扑的原理是,在使用Boost将电压升上去之后,再用一个反相电荷泵生成一个与正压近似相等的负压。正压为稳压输出,负压为非稳压。

受限于电荷泵输出阻抗的影响,所以输出能力较差(通常100mA以内)。

占板面积较小。

电压范围较窄,通常只有5V以内。

外围较为简单,只需要一个电感,以及一些外围容阻。

可用芯片:LV52133,LV52134,LP6280TPS65132,BD83850,MP5610,AW37501,AW37502,AW37503AW37504,AW37505,AW37506,AWP37501,AWP37503,RT4801,ISL98608,ISL98607SM5109SM5106,JW1360,DIO5639,DIO5632,DIO5630,DIO56380,NEX10000,NEX10001,LP62701OCP2131,OCP2130,OCP2138,BD83850,BD83854,MAP7102,KTD2151,KTD2150,KTZ881,FP7720,AS9700,AS9702,AS9710。

应用样例1:2.5V~5V输入,±5.5V输出,最大输出电流±100mA,空间敏感场景

LP6280

2 隔离

此处不讨论反激,因为其难以做到低噪声,不适合给模拟电路供电。

此处不讨论控制芯片过于复杂的电路,例如用于AC-DC的推挽/全桥/LLC等。

此处也不讨论过于复杂的拓扑,例如LCC等。

2-1 稳压

2-1-1 推挽(光耦反馈)

这类推挽带有光耦反馈,可以用来精确反馈输出电压。

由于外置功率MOSFET,所以其输出能力可以很强。

占板面积较大,因为有变压器。

电压范围较宽。

外围较为复杂,基本需要定制变压器。

可用芯片:LT1683LM25037

应用样例1:24V~48V输入,±30V输出,最大输出电流±1A,噪声敏感场景

LT1683做带摆率控制的推挽,去驱动一个变比略低于1:1.25的两侧中心抽头的变压器,输出用D30XBN20这个肖特基整流桥进行整流,得到±31V左右的输出电压。再将±31V送入TPS7A4701+TPS7A3301,稳压到±30V。

2-2 半稳压

2-2-1 推挽(初级反馈)

此类推挽用初级的输入电压来控制占空比,来达到近似稳压的效果,即输出电压近似不随输入电压的改变而改变。但是,其负载调整率与开环推挽一样很差。

受限于开关管内阻,在1:1输入输出时,输出能力较差(通常500mA以内)。如果输入电压较高而输出电压比较低,可以通过增大变比来提升输出能力,但通常也不超过2A。

占板面积较大,因为有变压器。

电压范围较宽,输入能到36V,输出取决于变压器匝比。

外围较为复杂,基本需要定制变压器。

可用芯片:LT3999,SN6507

应用样例1:24V~36V输入,±12V输出,最大输出电流±500mA,噪声敏感场景

SN6507做带摆率控制的推挽,去驱动一个变比略低于2:1的两侧中心抽头的变压器,输出用AB54S这个肖特基整流桥进行整流,得到±13V左右的输出电压。再将±13V送入LT3045+LT3094,稳压到±12V。

2-3 非稳压

2-3-1 推挽(开环)

此类推挽就是常见的B0505-1W里面的方案,非稳压,并且负载调整率很差,但胜在简单便宜,推荐后级搭配LDO使用。

受限于开关管内阻,输出能力较差(通常500mA以内)。

占板面积较大,因为有变压器。

电压范围较窄,输入基本最大5V,个别比如LT3439可以更高。

外围较为简单,基本只需要变压器,整流二极管和电容。

可用芯片:SN6501SN6505LT3439,LT1533,VPS8504VPS8505MX6501MX6505COS6501COS6505,NXF6501,NXF6505,SA52731,SA52733,SA55731,SCM1201SCM1209,NSIP6051,NSIP6055, LTP8501, LTP8502,BT5601,IS802,CMP6510TPM6501TPM6505MAX845,MAX258,MAX253,MAX13253。

配套变压器:源特,Würth,线易,ColiCraft,明芯微,方成,立凯电控,金升阳,磁联达等厂家均提供成品变压器。

应用样例1:5V输入,±5V输出,最大输出电流±200mA,成本敏感场景

VPS8504去驱动VPT87BB-01B,输出用四个20V~30V的肖特基二极管进行整流。

2-3-2 全桥(开环)

开环的全桥类似推挽,但是可以支持更高电压输入。

受限于开关管内阻,输出能力较差(通常500mA以内)。

占板面积较大,因为有变压器。

电压范围较宽,输入很多可以到36V。

外围较为简单,基本只需要变压器,整流二极管和电容。

可用芯片(专用):SGM46000,SCM1208,VPS8701VPS8702VPS8703,CMP6500,CMP6503CMP6513CMP6713CMP6713,MAX22256,MAX22258,MAX25226,MAX13256,MAX256。

配套变压器:源特,Würth,线易,ColiCraft,明芯微,方成,立凯电控,金升阳,磁联达等厂家均提供成品变压器。

很多推挽用的变压器也可以拿来给全桥用,但要由于推挽变压器通常是给5V电源设计的,使用时需要注意伏秒积。

另外,许多H桥电机驱动也可以用来做全桥隔离电源,但是要注意,电机驱动通常开关频率最大100kHz或20kHz,极少数。能到500kHz,所以可能会导致变压器需要比较大。另外电机驱动的死区也较大,在匝数比上要做补偿。电机驱动内部并无振荡器,还需要一个外部的方波来驱动。

用差分输出的D类音频功放做全桥隔离电源也是可以的,选择伪差分或者单端输入的D类音频功放芯片即可。可以给固定的偏压让其开环跑,也可以用光耦将输出电压反馈到输入。通常D类音频功放的开关频率都在100kHz以上,所以也可以搭配很多成品变压器使用。

应用样例1:24V输入,±5V输出,最大输出电流±200mA,成本敏感场景

VPS8703去驱动VPT87DFB01B,输出用四个20V~30V的肖特基二极管进行整流。

2-3-3 LLC(开环)

在一些需要超低初次级之间寄生电容的应用场景,开环LLC或许是一个好的选择,因为这样可以选用漏感较大但分布电容很小的绕法,例如双槽骨架。

受限于开关管内阻,输出能力较差(通常500mA以内)。

占板面积较大,因为有变压器。

电压范围较宽,输入可以到30V。

外围较为复杂,因为其是谐振变换器,并且很少有成品变压器可以买。

可用芯片:UCC25800,MPQ18913。

附录:正负压线性稳压器

可用芯片(二合一):TPS7A3901LT3032LT3097,NJM2839。

可用芯片(分立):TPS7A4901+TPS7A3001TPS7A4701+TPS7A3301LM2991+LM2941LT1963+LT3015LT3045+LT3094LT3042+LT3093LT3081+LT3091LT1761+LT1964ADP7118+ADP7182,ADP7185+ADP7155,BD37215+BD37210,GM1300+GM1205,GM1402+GM1207,GM1301+GM14004,GM13011+GM12041,SGM2205+SGM2209LM317+LM33778XX+79XX

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