בחינת רכיבים ליצירת פסי מתח שלילי

מרבית האלקטרוניקה המודרנית פועלת על פסי הספקת מתח חיובי פשוטים כגון V‏ 3.3‏ או V‏ 5‏. אך יישומים מודרניים רבים הדורשים משרעת אותות דו-קוטבית מלאה, ממתחים (Bias‏) מאוזנים או ביצועים אנלוגיים ספציפיים עשויים להוביל את המתכננים לטריטוריה פחות מוכרת של פסי מתח שלילי.

מרבית ה-ICs‏ - מיקרו-בקרים, מעבדים, חיישנים דיגיטליים וזיכרון - פועלים על פסי הספקת מתח חיובי אחד. לוחות פיתוח כמו אלה של Arduino‏ מסתמכים במידה רבה על הספקת מתח חיובי בלבד. ICs‏ לניהול הספקת-כוח (PMICs‏) מפותחים לעיתים במטרה ליצור מספר פסי מתח חיובי מסוללה אחת או מכניסת מתאם.

זה עשוי להוביל מתכננים לראות במתח שלילי שריד של עידן קודם באלקטרוניקה. עם זאת, מתחים שליליים עדיין חיוניים עבור מגוון רחב של יישומים אנלוגיים ואותות-מעורבים, כולל אכשור אותות, מכשור, ממשקי חיישנים, המרת נתונים ומעגלי מגבר שרת מדויקים. הבנת מתי ומדוע יש צורך בפס מתח שלילי יכולה להוביל למגוון רחב יותר של אפשרויות תכן - ולסייע במניעת השמטות יקרות.

תכנים ספציפיים דורשים פס מתח שלילי כדי לפעול בצורה נכונה ויעילה:

• מעגלי עיבוד אותות חיישנים המשתמשים בתצורות של מגבר שרת זקוקים לעיתים לפס מתח שלילי כדי לאפשר לאותות משרעת מתחת להארקה.
• ממשקי תקשורת מהדורות הקודמים, כגון RS-232, דורשים מתחים חיוביים ושליליים כאחד כדי להבטיח אותות תקינים ברמת הלוגיקה.
• מגברי אודיו ומכשור משתמשים לעיתים בספקי-כוח ביפולריים כדי לשפר את שולי הביטחון, להפחית עיוותים ולהגביר את הלינאריות.
• חיישני MEMS ופוטודיודות מודרניים עשויים להיות תלויים בממתח (Bias‏) שלילי קטן עבור דיוק וביצועים אופטימליים.

עיקרי תכנים מוצלחים

כמה מהמתכננים עשויים להניח שמתחים שליליים מיועדים רק למערכות מדורות קודמים או מתח גבוה, אך חיישנים, מגברים ומעגלי ממתח מדויקים רבים בתכנים של ימינו דורשים מתח שלילי בינוני - לעתים קרובות רק כמה וולטים - כדי לפעול בצורה אופטימלית.

במערכות אותות-מעורבים שבהן המקום וההספק מוגבלים, היכולת לייצר מתח שלילי נקי ויעיל מפס חיובי יחיד יכולה להיות קריטית להצלחת התכן.

תפיסה מוטעית נפוצה אחת היא שיצירת מתח שלילי דורשת תמיד שנאים מגושמים או מערכות הספקת-כוח מורכבות בעלות הספקה-כפולה. למעשה, ICs‏ מודרניים, כגון Charge-Pump‏ ומייצבים מהפכים, מפשטים את יצירת פס שלילי מהספקה חיובית יחידה, אפילו בתכנים קומפקטיים בהספק נמוך.

שגיאה נפוצה כרוכה בהתייחסות להארקה כנקודת ייחוס אפס מוחלטת של מתח על פני כל המעגלים. בספקי כוח מפוצלים או ביפולריים, "הארקה" היא רק נקודת האמצע בין מתח חיובי לשלילי (למשל, ±15 וולט), ולא אפס קבוע וגלובלי. עם זאת, במערכות מבודדות, לכל מעגל עשויה להיות נקודת ייחוס הארקה משלו, והנחה שכולם קשורים יחד עלולה להוביל לשגיאות תכנון.

מלכודת תכנון נוספת טמונה בהנחה ש"הארקה" משמעה תמיד אותו הדבר על פני כל מעגל. הארקה היא פשוט נקודת ייחוס, ומשמעותה יכולה להשתנות בהתאם להגדרת ספק הכוח או לגבולות הבידוד. אי-הבנה זו עלולה לגרום לבעיות בתכנים אנלוגיים, שבהם מגברי שרת או חיישנים עשויים שלא להתנהג כצפוי אם ייחוסי המתח אינם מיושרים כראוי עם הארקת המעגל בפועל. במערכות הספקת-כוח מבודדות או ביפולריות, התייחסות להארקה כאל 0 וולט אוניברסלי עלולה להוביל לשגיאות אותות, בעיות רעש או אפילו תקלות חומרה.

היעדר היכרות עם פסי מתח שלילי עלול לגרום להתעלמות משיקולי פריסה קריטיים, כגון נתיבי חזרה מתאימים, ביטול צימוד יעיל ובידוד רעשים. זה יכול להוביל לאי-יציבות או לירידה בביצועים האנלוגיים. לדוגמה, נתיבי חזרה תקינים הופכים למורכבים יותר כאשר קיימים גם הספקה חיובית וגם הספקה שלילית - הארקה אינה עוד הפוטנציאל הנמוך ביותר, וניתוב רשלני יכול ליצור חוגי הארקה או נתיבי זרם שלא במתכוון.

קבלי ביטול-צימוד (Decoupling‏) חייבים להיות ממוקמים אסטרטגית הן עבור פסי המתח החיובי והן עבור פסי המתח השלילי, ויש להם חיבורים בעלי השראות נמוכה כדי למזער אדוות מתח ושיאי טרנזיינטים. בידוד רעשים גם הוא מאתגר יותר במערכות אותות-מעורבים שבהן רעש מיתוג דיגיטלי יכול להיות מצומדים למעגלים אנלוגיים רגישים דרך הארקה או משטחי הספקת-כוח משותפים. ללא הפרדה וסינון מוקפדים והבנה ברורה של זרימת הזרם, היתרונות של קצה קדמי אנלוגי מדויק עלולים ללכת לאיבוד אי-יציבות, רעש או סחיפה הנגרמים על ידי ארטיפקטים של ספק הכוח.

זיהוי מוקדם של אתגרים אלה מסייע במניעת קיצוץ אותות, תחום דינמי לקוי ותכנון-מחדש בהמשך, מוביל למגוון רחב יותר של אפשרויות תכן - ועוזר במניעת השמטות יקרות.

למתכננים יש מספר אפשרויות מוכחות ליצירת מתחים שליליים מפס חיובי אחד, בהתאם למורכבות המערכת, צורכי זרם היציאה ודרישות הנצילות. .Analog Devices, Inc‏ (ADI‏) מציעה מגוון רחב של פתרונות - החל מ-Charge-Pump‏ פשוטים ועד מייצבים ממותגים עם ביצועים עיליים - המפשטים את יצירת המתח השלילי עבור מתכננים בעלי דרגות ניסיון שונות.

מייצבי Charge-Pump‏

עבור תכנים מוגבלי-מקום הדורשים פס מתח שלילי בינוני - כגון עבור ממתח מגבר שרת או ייחוסי אותות חיישן - ה-Charge-Pump‏ עם מפל-מתח נמוך LTC1983‏ דורש רק שלושה קבלים חיצוניים (איור 1).

איור 1: יישום ממיר Charge-Pump‏ LTC1983 המספק מתח של V‏ 3‏- עם עד mA‏ 100‏. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

ה-LTC1983 מייצר מתח שלילי מיוצב על ידי היפוך הקוטביות של הכניסה החיובית, ולכן הוא מתאים ביותר עבור הזנת פסים אנלוגיים בעלי זרם נמוך הדורשים זרם של עד mA‏ 100‏. הוא מתאים עבור יישומים בעלי צריכת הספק נמוכה, ממתח מגבר שרת, כוונון אופסט חיישן או עומסים אנלוגיים קטנים במערכות מוגבלות-מקום. הוא אינו דורש משרנים, ובכך מקל על הפריסה, אך זה פוגע בגמישות, בנצילות ובביצועי רעש היציאה.

עבור גמישות רבה יותר ונצילות גבוהה יותר, ה-LTC3265‏ החסון יותר הוא Charge-Pump‏ עם שתי-יציאות היכול לייצר פסי מתח חיובי ושלילי מתכווננים מהספקת-כוח יחידה (איור 2). עם מייצבי LDO‏ משולבים עם רעש נמוך, הוא מספק עד mA‏ 100‏± עם דיוק גבוה ואדוות נמוכה, מה שהופך אותו למתאים ביותר עבור תכני אותות-מעורבים, מכשור מדויק וממשקי חיישן תעשייתיים.

איור 2: תכן מעגל עם מייצבי LDO‏ משולבים עם רעש נמוך LTC3265 כדי לספק יציאות של V‏ 15‏± מכניסה יחידה של V‏ 12‏. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

ה-LTC3265 מציע הרבה יותר שולי ביטחון בהשוואה ל-LTC1983 עבור מידרוג הביצועים, ניהול רעש ושילוב עם תת-מערכות אנלוגיות תובעניות, מה שהופך אותו לבחירה טובה יותר כאשר פסים נקיים ואמינות הם הכרחיים.

ממירי Buck-Boost‏

כאשר נדרשים זרמי יציאה גבוהים יותר או נצילות טובה יותר, ממירי Buck-Boost מהפכים מספקים פתרון יעיל וחסון. מעגלים אלה הופכים את מתח הכניסה ומייצבים אותו ליציאה שלילית, לרוב עם תחומי כניסה/יציאה רחבים ונצילות מצוינת. ה-LTC3863‏ של ADI הוא בקר מהפך חסון המסוגל לייצר מתחי יציאה שליליים הנמוכים עד כדי V‏ 150‏-. זה הופך אותו לאידיאלי עבור מערכות תעשייתיות ותקשורת.

ה-LT8624S‏ Silent Switcher‏, ניתן להגדרה לאופן היפוך כדי לספק פסי מתח שלילי בעלי נצילות גבוהה עם EMI אולטרה-נמוך. זה הופך אותו למתאים במיוחד עבור תחומים אנלוגיים רגישים לרעש.

אפשרות נוספת המיועדת לצורכי מגבר שרת ביפולרי או ממתח חיישנים היא ה-ADP5076‏, מייצב ממותג עם שתי-יציאות המייצר בו זמנית פסי מתח חיובי ושלילי (למשל, V‏ 12‏+ ו-V‏ 12‏-) מכניסה יחידה.

יצירת מתח שלילי מבודד

יישומים הדורשים הפרדת הארקה עבור בטיחות, חסינות לרעש או בידוד פונקציונלי - כגון I/O‏ תעשייתי, מכשור רפואי או מערכות רכב - דורשים יצירת מתח שלילי מבודד. ממיר DC-DC מבוסס-שנאי, בדרך כלל טופולוגיית Flyback (איור 3) או Push-Pull, מעביר אנרגיה על פני מחסום בידוד ומייצר מתח שהוא גם שלילי וגם מופרד חשמלית מצד הכניסה.

איור 3: תרשים סכמטי זה ממחיש ממיר Flyback‏ טיפוסי עם מספר ליפופי יציאה. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

ה-LT3758‏ הוא בקר DC/DC עם ביצועים עיליים המיועד עבור טופולוגיות Boost‏, SEPIC‏ (single-ended primary-inductor converter‏), Flyback‏ ומהפכים. ניתן להגדיר אותו לייצר פסי מתח שלילי מבודדים באמצעות שנאי Flyback‏ ולספק מתח יציאה שלילי מתכוונן עד V‏ 100‏. למרות שהוא אינו דורש מבודד אופטי, במקרים כאלה הוא ייצור מתח שלילי לא-מיוצב. ניתן להשיג מתח שלילי מיוצב על ידי הוספת מייצב LDO‏ עם כניסה שלילית ביציאה.

עבור יישומים רבי-פסי-מתח שבהם שטח הלוח מוגבל והגמישות חיונית, המתכננים עשויים לבחור ב-LT8471 ‏ של ADI, בקר דו-ערוצי ורסאטילי המאפשר הגדרה בלתי-תלוייה של כל ערוץ כ-Boost‏, Buck-Boost‏, SEPIC‏ או Flyback‏. זה מאפשר מגוון רחב של שילובי מתחי יציאה, חיוביים ושליליים כאחד. לדוגמה, ערוץ אחד יכול לייצר V‏ 12‏+ והשני V‏ 12‏-, או ערוץ אחד יכול להיות מוגדר כ-Boost‏ ל-V‏ 24‏+ והשני כ-Flyback‏ מבודד V‏ 5‏-. זה מאפשר למתכננים להקטין את שטח הלוח ואת מפרט החומרים (BOM‏).

יישומים מסוימים, במיוחד אלו הדוחפים טרנזיסטורי MOSFET להספק, דורשים מתחי דחיפת שער שליליים עבור מיתוג בטוח ויעיל. ה-ADuM4120‏ הוא דוחף שער מבודד המאפשר שימוש במתחים שליליים על הדק מקור-שער, והופך אותו לשימושי במיוחד בתכני מיתוג צד-גבוה או חצי-גשר (איור 4).

איור 4: בתכן מעגל זה, ה-ADuM4120 דוחף מערך הספקת-כוח ביפולרית. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)‏

כאשר זמן היציאה לשוק ושטח הלוח הם קריטיים, המתכננים יכולים לפשט תכני פס מתח שלילי על ידי ניצול מייצבי µModule של ADI. ה-LTM4655‏ הוא מייצב µModule‏ Buck-Boost‏ מהפך משולב במלואו עם ערוצי יציאה כפולים בלתי-תלויים במלואם שניתן להגדיר אותו עבור יציאה מיוצבת חיובית או שלילית.

סיכום

אין זה נדיר שהתקני אינטרנט של דברים (IoT), חיישנים תעשייתיים, מכשירים מדויקים ואפילו ציוד רפואי דורשים פסי מתח חיובי ושלילי כאחד. על ידי בחירת הטופולוגיה הנכונה - בין אם Charge Pump‏ עבור פשטות או ממתג (Switcher‏) עבור נצילות - המתכננים יכולים לשלב מתחים שליליים במערכות מודרניות מבלי להוסיף מורכבות משמעותית. פורטפוליו המוצרים הרחב ותכני הייחוס של ADI עוזרים למתכננים להימנע מאי-וודאות.