Disamina dei componenti per creare un rail di tensione negativa

La maggior parte dei dispositivi elettronici moderni funziona con alimentazioni semplici e positive, come 3,3 V o 5 V. Tuttavia, molte applicazioni moderne che richiedono l'oscillazione completa del segnale bipolare, una polarizzazione bilanciata o prestazioni analogiche specifiche possono spiazzare i progettisti meno esperti, quando si parla di rail di tensione negativa.

La maggior parte dei CI (microcontroller, processori, sensori digitali e memorie) funzionano con un unico rail di alimentazione positiva. Le schede di sviluppo come quelle di Arduino si basano prevalentemente sull'alimentazione positiva. I CI di gestione dell'alimentazione (PMIC) sono spesso sviluppati con l'obiettivo di generare più rail positivi da un singolo ingresso di batteria o adattatore.

Ciò può portare i progettisti a considerare la tensione negativa come un retaggio di un'epoca precedente dell'elettronica. Tuttavia, le tensioni negative sono ancora essenziali per un'ampia gamma di applicazioni analogiche e a segnale misto, tra cui il condizionamento del segnale, la strumentazione, le interfacce dei sensori, la conversione dei dati e i circuiti degli amplificatori operazionali di precisione. Capire quando e perché è necessario un rail negativo può rivelare una più ampia gamma di possibilità di progettazione e aiutare a evitare costosi errori.

Per un funzionamento corretto ed efficace, alcuni modelli specifici richiedono una tensione negativa:

• I circuiti di condizionamento del segnale per sensori che utilizzano configurazioni con amplificatori operazionali spesso necessitano di un rail negativo per consentire ai segnali di oscillare sotto il livello di massa.
• Le interfacce di comunicazione legacy, come RS-232, richiedono tensioni sia positive che negative per garantire una corretta segnalazione del livello logico.
• Gli amplificatori audio e strumentali utilizzano spesso alimentatori bipolari per migliorare il margine di sicurezza, ridurre la distorsione e aumentare la linearità.
• I moderni sensori MEMS e i fotodiodi possono dipendere da una piccola tensione di polarizzazione negativa per garantire precisione e prestazioni ottimali.

I fattori per il successo di un progetto

Alcuni progettisti potrebbero ritenere che le tensioni negative siano destinate esclusivamente ai sistemi legacy o ad alta tensione, ma molti sensori di precisione, amplificatori e circuiti di polarizzazione usati oggi nei progetti richiedono alimentazioni negative modeste, spesso di soli pochi volt, per funzionare in modo ottimale.

Nei sistemi a segnale misto in cui lo spazio e la potenza sono limitati, la capacità di generare una tensione negativa pulita ed efficiente da un unico rail positivo può essere fondamentale.

Un errore comune è quello di ritenere che per generare una tensione negativa siano sempre necessari trasformatori ingombranti o complessi sistemi di alimentazione doppia. Infatti, i moderni CI, come le pompe di carica e i regolatori invertenti, semplificano la creazione di un rail negativo da un'unica alimentazione positiva, anche in progetti compatti e a basso consumo.

Un errore frequente consiste nel considerare la massa come un punto di riferimento assoluto a tensione zero in tutti i circuiti. Negli alimentatori divisi o bipolari, la "massa" è semplicemente il punto medio tra una tensione positiva e una negativa (ad esempio ±15 V), non uno zero fisso e universale. Tuttavia, nei sistemi isolati, ogni circuito può avere il proprio riferimento di massa e presupporre che siano tutti collegati tra loro può portare a errori di progettazione.

Un altro errore consiste nel dare per scontato che il termine "massa" abbia sempre lo stesso significato in tutto il circuito. La massa è semplicemente un punto di riferimento e il suo significato può variare a seconda della configurazione dell'alimentazione elettrica o della soglia di isolamento. Questo malinteso può causare problemi nei progetti analogici, dove gli amplificatori operazionali o i sensori potrebbero non funzionare come previsto se i riferimenti di tensione non sono allineati correttamente alla massa effettiva del circuito. Nei sistemi di alimentazione isolati o bipolari, considerare la massa come il livello di 0 V universale può causare errori di segnale, problemi di rumore o persino guasti hardware.

La scarsa familiarità con i rail negativi può portare a trascurare aspetti critici della configurazione, quali i percorsi di ritorno adeguati, il disaccoppiamento efficace e l'isolamento dal rumore. Ciò può causare instabilità o ridurre le prestazioni analogiche. Ad esempio, i percorsi di ritorno corretti sono più complessi quando sono presenti alimentazioni positive e negative: la massa non è più il potenziale più basso e un instradamento incauto può creare anelli di massa o percorsi di corrente indesiderati.

I condensatori di disaccoppiamento devono essere posizionati strategicamente sia per i rail positivi sia per quelli negativi e avere connessioni a bassa induttanza per ridurre al minimo il ripple di tensione e i picchi transitori. L'isolamento acustico è inoltre più complesso nei sistemi a segnale misto, dove il rumore di commutazione digitale può accoppiarsi alla circuiteria analogica sensibile attraverso piani di massa o di alimentazione condivisi. Senza un attento partizionamento, filtraggio e una chiara comprensione del flusso di corrente, i vantaggi di un front-end analogico di precisione possono andare persi a causa dell'instabilità, del rumore o della deriva introdotti dagli artefatti dell'alimentazione.

Riconoscere tempestivamente queste sfide aiuta a evitare la saturazione del segnale, una gamma dinamica scadente e la necessità di riprogettare il prodotto in una fase successiva, aprendo le possibilità una più ampia gamma di scelte di progettazione e contribuendo a prevenire costose sviste.

I progettisti hanno a disposizione diverse opzioni collaudate per generare tensioni negative da un singolo rail positivo, a seconda della complessità del sistema, delle esigenze di corrente in uscita e dei requisiti di efficienza. Analog Devices, Inc. (ADI) offre un ampio portafoglio di soluzioni, dalle semplici pompe di carica ai regolatori di commutazione ad alte prestazioni, che semplificano la generazione di tensione negativa per progettisti con diversi livelli di esperienza.

Regolatori per pompe di carica

Per progetti con vincoli di spazio che richiedono un rail negativo modesto, come nel caso della polarizzazione degli amplificatori operazionali o dei riferimenti di segnale dei sensori, le pompe di carica a bassa caduta di tensione LTC1983 richiedono solo tre condensatori esterni (Figura 1).

Figura 1: Applicazione di un convertitore per pompa di carica LTC1983 che fornisce -3 V fino a 100 mA. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

LTC1983 genera una tensione negativa regolata invertendo la polarità dell'ingresso positivo, rendendolo particolarmente adatto per alimentare i rail analogici a bassa corrente che richiedono fino a 100 mA di corrente. È adatto per applicazioni a bassa potenza, come la polarizzazione degli amplificatori operazionali, la regolazione dell'offset dei sensori o piccoli carichi analogici in sistemi con vincoli di spazio. Non richiede induttori, semplificando il layout, ma compromette la flessibilità, l'efficienza e le prestazioni in termini di rumore di uscita.

Per una maggiore flessibilità ed efficienza, il più robusto LTC3265 è una pompa di carica a doppia uscita in grado di generare rail regolabili sia positivi che negativi da un'unica alimentazione (Figura 2). Grazie ai regolatori LDO integrati a basso rumore, eroga fino a ±100 mA con elevata precisione e basso ripple, il che lo rende particolarmente adatto per progetti a segnale misto, strumentazione di precisione e interfacce di sensori industriali.

Figura 2: Un progetto circuitale con LTC3265 integra regolatori LDO a basso rumore per fornire uscite ±15 V da un singolo ingresso da 12 V. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

LTC3265 offre un margine di sicurezza molto maggiore rispetto a LTC1983 in termini di prestazioni di scalabilità, gestione del rumore e integrazione con sottosistemi analogici complessi, ed è quindi la scelta migliore quando rail puliti e l'affidabilità sono requisiti imprescindibili.

Convertitori buck/boost

Quando sono necessarie correnti di uscita più elevate o una maggiore efficienza, i convertitori buck/boost invertenti sono una soluzione efficiente e robusta. Questi circuiti invertono la tensione di ingresso e la regolano su un'uscita negativa, spesso con ampi intervalli di ingresso/uscita e un'efficienza eccellente. LTC3863 di ADI è un robusto controller invertente in grado di generare tensioni di uscita negative di soli -150 V. Ciò lo rende ideale per i sistemi industriali e di comunicazione.

LT8624S, un Silent Switcher, può essere configurato in modalità invertente per fornire rail negativi ad alta efficienza con bassissime EMI. Ciò lo rende particolarmente adatto per i domini analogici sensibili al rumore.

Un'altra opzione pensata per amplificatori operazionali bipolari o per la polarizzazione dei sensori è il modello ADP5076, un regolatore a commutazione a doppia uscita che genera contemporaneamente rail positivi e negativi (ad esempio +12 V e -12 V) da un unico ingresso.

Generazione di tensione negativa isolata

Le applicazioni che richiedono la separazione a massa per motivi di sicurezza, immunità al rumore o isolamento funzionale, come I/O industriali, strumentazione medica o sistemi automotive, richiedono la generazione di una tensione negativa isolata. Un convertitore c.c./c.c. basato su trasformatore, tipicamente in topologia flyback (Figura 3) o push-pull, trasferisce l'energia attraverso una barriera di isolamento e produce una tensione negativa ed elettricamente separata dal lato di ingresso.

Figura 3: Questo schema illustra un tipico convertitore flyback con avvolgimenti di uscita multipli. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

LT3758 è un controller c.c./c.c. ad alte prestazioni progettato per topologie boost, SEPIC (convertitori di induttanza primaria a terminazione singola), flyback e invertenti. Può essere configurato per generare rail negativi isolati utilizzando un trasformatore flyback e fornire una tensione di uscita negativa regolabile fino a 100 V. Sebbene non richieda un optoaccoppiatore, senza di essi genererà una tensione negativa non regolata. È possibile ottenere una tensione negativa regolata aggiungendo all'uscita un regolatore LDO di ingresso negativo.

Per applicazioni multi-rail in cui lo spazio su scheda è limitato e la flessibilità è essenziale, i progettisti possono optare per LT8471 di ADI, un controller a doppio canale versatile che consente di configurare indipendentemente ciascun canale come boost, buck/boost, SEPIC o flyback. Ciò rende possibile un'ampia gamma di combinazioni di tensioni di uscita, sia positive che negative. Ad esempio, un canale potrebbe generare +12 V e il secondo -12 V, oppure un canale potrebbe essere configurato come boost a +24 V e il secondo come flyback isolato a -5 V. Grazie a questo, i progettisti possono ridurre lo spazio sulla scheda e il numero di componenti in distinta base.

Alcune applicazioni, in particolare quelle che pilotano MOSFET di potenza, richiedono tensioni di comando del gate negative per una commutazione sicura ed efficiente. ADuM4120 è un gate driver isolato che consente l'uso di tensioni negative sul terminale gate-source, il che lo rende particolarmente utile nei progetti di commutazione high-side o a semiponte (Figura 4).

Figura 4: In questo progetto circuitale, ADuM4120 pilota una configurazione di alimentazione bipolare. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Quando il time-to-market e lo spazio su scheda sono fattori critici, i progettisti possono semplificare i progetti con rail negativo sfruttando i regolatori µModule di ADI. LTM4655 è un regolatore µModule buck/boost invertente a totale integrazione con due canali di uscita completamente indipendenti che possono essere configurati per un'uscita regolata negativa o positiva.

Conclusione

Non è raro che i dispositivi per l'Internet delle cose (IoT), i sensori industriali, gli strumenti di precisione e persino le apparecchiature mediche richiedano rail di tensione sia positiva sia negativa. Scegliendo la topologia giusta, che sia una pompa di carica per la semplicità o uno switcher per l'efficienza, i progettisti possono integrare tensioni negative nei sistemi moderni senza aggiungere troppa complessità. L'ampio portafoglio e i progetti di riferimento di ADI aiutano i progettisti scegliere con certezza.