Как сделать источник отрицательного напряжения простыми методами? На сайтах мировых производителей электронных компонентов очень много микросхем понижающих (Buck (step-down)), повышающих (Boost (step-up)), и повышающе-понижающих (Buck-boost) DC/DC. Но намного меньше микросхем для создания отрицательного напряжения.

Есть маломощные инвертирующие напряжение микросхемы, для создания отрицательного питания для ОУ. Они как правило работают на принципе переключения конденсатора. И выдают инвертированное входное напряжение: то есть если на входе +5В, то на выходе она может сделать -5В. Выходной ток таких схем совсем не большой.

Но бывают задачи, когда необходимо сделать источник, к примеру -35В и током 300мА или больше. И тут оказывается, что готовых решений особо и нет. Я говорю о бестрансформаторных решениях, которые используют запасённую энергию в дросселе.

Это связано с двумя моментами:
1) не так много в настоящее время требуется в разработке создания схем с высоким отрицательным напряжением и ещё током в пол ампера,
2) практически из любого понижающего преобразователя (Buck) можно сделать инвертирующий.

Вот о втором пункте дальше и пойдёт речь.

Теория.

Более правильно будет назвать схему не просто инвертор, а повышающе-понижающий инвертор (Inverting Buck-Boost), так как на выходе мы хотим иметь не просто инвертированное входное, а больший отрицательный номинал, или меньший.

Объясняя на бычках и коровках общие принципы топологий:

Ключ в этих схемах обозначает транзистор, который порционно подаёт ток в индуктивность. Диод же замыкает ток, когда ключ размыкается и индуктивность всё равно пытается подавать ток в том же направлении (ток в катушке не может измениться мгновенно).

Диод часто бывает заменён транзистором. Так работают синхронные DC/DC преобразователи. Имеют бОльший КПД.

Если посмотреть на схему А и схему С, то можно заметить, что они очень похожи. Если у A замкнуть выход на землю, а то, что было землёй сделать выходом, то она превращается в схему С. Именно на этом принципе и основывается создание инвертирующего преобразователя на Buck контроллере.

Теперь немного формул. Тем более тут они совсем простые.

Во время работы, когда полевой транзистор открыт, напряжение на катушке индуктивности равно Vin, а ток возрастает со скоростью di/dt = Vin/L. Пока полевой транзистор открыт, весь ток нагрузки подается за счет энергии, накопленной в выходном конденсаторе. Когда транзистор выключается, ток в катушке индуктивности начинает падать, а уменьшающееся магнитное поле создаёт в ней ЭДС, которая через диод и заряжает конденсатор. Напряжение на катушке индуктивности приблизительно равно Vout, а ток в катушке индуктивности уменьшается со скоростью di/dt = –Vout/L. В момент выключения индуктор подает ток как на нагрузку, так и для восполнения энергии, потерянной конденсатором во время включения.

Таким образом, для схемы понижающего напряжения средний ток индуктора равен:

Пиковый ток считается по формуле:

Рабочий цикл примерно считается по формуле:

Вот и все формулы, необходимые для общего понимания топологии. Расчетные уравнения представлены в упрощенной форме, при этом полупроводники идеализированы, а потери в других компонентах не учитываются. При детальных проработках схемы формулы усложняются.

Для лучшего отображения что происходит в схеме, приложу схему с формами напряжений и токов в основных точках.

Это всё было про синхронные блоки, где вместо диода применён транзистор. Всё работает и с диодом. Схема при этом будет иметь вид:

Переходим к практической реализации.

Теория полезна, но не так интересна без практики. Поэтому теперь покажу что было сделано на отладочной плате.

У меня есть отладочная плата понижающего DC/DC преобразователя LM5575.

На ней и проверю теорию. Мне в данном случае надо было только проверить гипотезу, не стараясь добиться супер характеристик. То есть даже номиналы на плате сильно менять не планировал.

Микросхема внешне очень простая. Её функциональная схема выглядит очень просто:

Но внутри, как и многие современные микросхемы, имеет целый дивный новый мир:

Что бы превратить её в инвертом мне необходимо сделать немного доработок:

Землю подключаю на выходную клемму VOUT
Выходной электролитический конденсатор снять (так как он на небольшое напряжение) и установить что-то более высоковольтное. У меня нашёлся какой-то электролит. Внимание на полярность его подключения.
Выходной делитель я пересчитал под другие номиналы так, что бы можно было применить подстроечный резистор, для регулировки выходного напряжения. Хочется регулировать от -20 до -35В.

После доработок запускаю переделанную отладку с малым ограничением по току. И смотрю осциллографом что на выходе.

Вижу что на выходе что-то типа -32В. Не плохой результат. Покрутил подстроечник - убедился, что напряжение регулируется как планировал.

Вторым этапом хочется посмотреть пульсации на выходе, хотя-бы примерно. Данная топология платы всё же заточена более для обычного Buck конвертора и есть некоторые моменты, которые надо в проде будет изменять.

Про измерение пульсаций, уровни 10-90, усреднения, накопления и прочее можно много говорить. В данном случае у меня нет целей сделать сверх малые пульсации, а просто инвертор. Всё остальное можно улучшить как цепями компенсации самой микросхемы, так и различными схемами на выходе. Хотя лично меня полученный результат уже приятно удивил.

Теперь немного про КПД.
Есть источник +12В, к которому подключен мой Inverting Buck-Boost и есть электронная нагрузка, которая включена в режиме стабилизированного потребления тока. Я настроил на 300мА.

Прикидка будет тоже довольно грубой. Просто что-бы оценить порядок, в котором работает мой DC/DC.

Не самый лучший КПД, но для не сильно рассчитанного модуля, без грамотных расчётов компонентов, вполне себе. Тем более что это ещё и не синхронный преобразователь (на диоде падает 0,6-0,7В).

Ещё бывает интересно взглянуть на плату, что на ней греется и до какой температуры. Перед измерением плата проработала пол часа и выдавала 300мА на -29 вольт.

Видно, что микросхема нагрелась до 66,5 градусов при нормальной комнатной температуре. Диод до 59,7 градусов.

Резюмируя могу сказать, что концепт и общий подход ясен. На отладочной плате, не сильно её переделывая, получил не плохой результат. При правильном проектировании, и детальном расчёте и подборе компонентов, можно получить намного лучший результат.

Вполне себе рабочий вариант схемы выглядит так:

На входную логику включения тут може��е не обращать внимание, она к делу не относится. Схема источника питания уже сделана с расчётными номиналами компонентов. Из необычного тут можно увидеть два параллельно включенных диода - немного улучшают КПД. Под определённую нагрузку, значения напряжений и рабочую частоту, номиналы, естественно, всегда надо будет пересчитывать.

Хочу обратить особое внимание, что рабочий предел напряжений будет ограничен расчётными значениями индуктивности, предельным напряжением диода и применяемых в микросхемах транзисторов. При этом для верхнего ключа надо не забыть к входному напряжению питания прибавить модуль выходного. Это и будет его рабочий диапазон. В одной из своих конструкций я смог добиться КПД для Inverting Buck-Boost 92%, что было очень приятно. Но это уже был синхронный блок.

При трассировке необходимо учитывать то, что вся земля микросхемы и подключенные к ней элементы являются выходным отрицательным уровнем для нас и как-бы прыгают в отрицательную область, при этом выход микросхемы остаётся неизменным и привязан к земле. Понимая это очень легко представить горячий и холодный контуры для грамотной топологии и трассировки платы.

Прикладываю ссылки на литературу, которая всем заинтересовавшимся в полной мере поможет погрузиться в данный вопрос и ответит на все вопросы, которые могут возникнуть при детальной проработке и конструировании подобных Inverting Buck-Boost.

Литература:

1. AoE3 (https://the-epic-file.com/text/bookz/aoe_3/ch_09/aoe3_09_06a.htm#x_09_06_04)

2. SLVA059B Understanding Inverting Buck-Boost Power Stages in Switch Mode Power Supplies (https://www.ti.com/jp/lit/an/slva059b/slva059b.pdf?ysclid=mh4srr6e40437951107)

3. slyt286 Using a buck converter in an inverting (http://www.herjulf.se/download/buck-inverting.pdf)

4. snva856b Working With Inverting Buck-Boost Converters (https://www.ti.com/lit/an/snva856b/snva856b.pdf?ts=1746184378150&ref_url=https%253A%252F%252Fe2e.ti.com%252F&ysclid=mh4vpztpga26535757)

5. SLVA257 Using the TPS5430 as an Inverting Buck-Boost Converter (https://application-notes.digchip.com/001/1-971.pdf)

6. slva542a Using the TPS62175 in an Inverting Buck Boost Topology (https://www.ti.com/lit/an/slva542a/slva542a.pdf?ysclid=mh4wkzgrm578079013)

7. slva469d Using the TPS6215x in an Inverting Buck-Boost Topology (https://www.ti.com/lit/an/slva469d/slva469d.pdf?ts=1747401612583&ysclid=mh4wk1hcvw88773985)

8. snva721a Low Radiated EMI Layout Made SIMPLE with LM4360x and LM4600x (https://www.ti.com/lit/an/snva721a/snva721a.pdf?ysclid=mh4wmh0up5511471212)

9. LM5575/LM5575Q SIMPLE SWITCHER® 75V, 1.5A Step-Down Switching Regulator (https://www.ti.com/product/LM5575-Q1?ysclid=mh4x2fiuc2587046997)

10. AN_2305_PL12_2307_073332 (https://www.infineon.com/assets/row/public/documents/24/42/infineon-dc-dc-converter-configuration-of-inverting-buck-boost-using-ir3889-buck-regulator-applicationnotes-en.pdf?fileId=8ac78c8c8a44f57b018a617cdc9d51cd)