So invertieren Sie Spannungen
Dieser Tipp zum Power Management stellt die zwei verschiedenen Schaltungen für eine Umwandlung von positiver in negative Spannung sowie für eine Umwandlung von negativer in positive Spannung vor. Er erläutert, wie eine Abwärtsregler- (Buck-)Schaltung einfach so modifiziert werden kann, dass sie eine positive Spannung in eine negative Spannung umwandelt, und wie ein Aufwärtswandler (Boost Converter) einfach so modifiziert werden kann, dass er eine negative Spannung in eine positive Spannung umwandelt.
Leistungswandler werden üblicherweise verwendet, um aus einer vorhandenen Spannungsversorgungsschiene eine geregelte Versorgungsspannung für eine Schaltung zu erzeugen. In den meisten Anwendungen wird eine Spannung mit einem abwärtswandelnden Schaltregler (Buck-Konverter) reduziert. Manchmal wird jedoch eine Spannung erhöht. Dies geschieht häufig mit einem aufwärtswandelnden Boost-Konverter. Diese beiden Topologien, Buck und Boost, werden in vielen Anwendungen eingesetzt.
Mitunter muss jedoch eine Spannung invertiert werden. In den meisten Fällen muss eine positive Versorgungsspannung in eine negative Spannung umgewandelt werden. Dies ist erforderlich, um Sensoren im Signalpfad zu versorgen, damit sie ein Signal mit positiver und negativer Spannungsauslenkung verarbeiten können. Beispielsweise werden +5 V und –5 V als Versorgungsspannung für einen Operationsverstärker verwendet, um eine Signalspannung zu verarbeiten. Negative Spannungen werden in einigen Anwendungen benötigt, um die Gates von MOSFETs sicher abzuschalten. Um aus einer vorhandenen positiven Spannung eine negative Spannung zu erzeugen, eignet sich eine invertierende Topologie, wie in Abbildung 1 dargestellt. Eine positive Spannung wird in eine negative Spannung umgewandelt. Die Schaltung ist einfach, benötigt keinen Transformator und kann mit einem Standard-Buck-Schaltregler-IC aufgebaut werden. Die Ausgangsspannung des Buck-Reglers ist mit der Systemmasse verbunden, und die Spannung am GND-Pin ergibt eine negative Spannung, die mit dem Widerstandsteiler Rfb1 und Rfb2 eingestellt werden kann.
Abbildung 1. Ein Schaltnetzteilwandler, der aus einer positiven Spannung eine negative Spannung erzeugt.
Neben dieser Anwendung besteht jedoch manchmal auch die Notwendigkeit, eine negative Spannung in eine positive Spannung umzuwandeln. Eine gängige Anwendung findet sich im Bereich der Telekommunikation, wo –48 V in +48 V umgewandelt werden müssen. Es gibt jedoch auch Anwendungen im industriellen Bereich. Für diese Anforderung gibt es in der Tat eine elegante Lösung, die keinen Transformator erfordert. Abbildung 2 zeigt einen invertierenden Boost-Wandler, der aus einer negativen Spannung eine positive Spannung erzeugt. Dafür ist kein Abwärtsregler erforderlich, sondern ein Boost-Regler-IC. Die Leistungsstufe muss so ausgelegt werden, dass die jeweiligen Body-Dioden der Schalter in der richtigen Richtung leiten.
Abbildung 2. Ein getakteter DC/DC-Wandler, der aus einer negativen Spannung eine positive Spannung erzeugt.
Um eine negative Spannung effizient und mit vielen Funktionen in eine positive Spannung umzuwandeln, sind zusätzliche Komponenten erforderlich. Beispielsweise ist eine Pegelwandlung für verschiedene Einstellpins erforderlich, z. B. für eine Soft-Start-Funktion oder eine Takt-Synchronisationsfunktion. Der zulässige Spannungsbereich an diesen Pins hängt vom GND-Pin des Schaltregler-IC ab, der die negative Eingangsspannung ist.
Abbildung 3. LTspice-Schaltplan der LTC7899-Schaltung.
Für komfortables Schalten, auch bei höherer Leistung, eignet sich ein dedizierter Schaltregler-IC für Spannungsumsetzungen von einer negativen Spannung auf eine positive Spannung. Ein solcher IC ist der LTC7899, ein Boost-Converter-Controller für Schaltnetzteile, der speziell für die Umwandlung negativer Spannungen in positive Spannungen ausgelegt ist. Er verwendet externe Schalter, arbeitet synchron und bietet einen sehr großen Spannungsbereich von bis zu 135 V zwischen Ein- und Ausgang. Abbildung 3 zeigt den LTC7899 in einer invertierenden Schaltung im Simulationsprogramm LTspice® , mit dem die Schaltung simuliert werden kann.
Fazit
Negative und positive Spannungen lassen sich auch ohne Transformator einfach invertieren. Viele Anwendungen erfordern eine solche Invertierung. Es gibt einfache Lösungen und eine große Auswahl geeigneter Leistungskonverter-ICs. Um jedoch eine leistungsstarke, einfach zu verwendende Schaltung zu entwerfen, eignen sich spezielle Schaltregler-Controller, wie der LTC7899.
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