Zehn Möglichkeiten zum Aufteilen einer Versorgungsspannung

Autor: Dan Tooth, Texas Instruments

Es kann verschiedene Gründe geben, die das Aufteilen einer Versorgungsspannung für einen Ingenieur wünschenswert machen. In einigen Fällen benötigen bestimmte Teile der Schaltung (z. B. ein Sensor oder ein IC) eine bipolare Versorgungsspannung. Weitere Beweggründe können die möglichst gute Ausnutzung des Dynamikbereichs eines A/D-Wandlers (wenn dieser einen bipolaren Eingang besitzt) oder die Bereitstellung einer mittleren Bias-Spannung in einem System mit einer Versorgungsspannung sein. Unabhängig vom jeweiligen Anlass stellt der folgende Beitrag verschiedene in Frage kommende Techniken vor – darunter auch ein paar recht ungewöhnliche. Einige der präsentierten Lösungen zeichnen sich durch einen geringen Platzbedarf oder Bauteileaufwand aus, während andere den Vorteil einer niedrigen Ruhestromaufnahme haben.

Die Schaltung zum Aufteilen der Versorgungsspannung wird auf Englisch oft kurz als ‚Rail Splitter‘ bezeichnet. Meist meint man damit das Bereitstellen eines neuen 0-V-Bezugspunkts, der üblicherweise bei der Hälfte (Vdd/2) der ursprünglichen Versorgungsspannung Vdd liegt. Die verfügbare Spannung bleibt dieselbe, man kann sie sich jetzt aber als eine bipolare Spannung von ±Vdd/2 um die neue 0-V-Referenz vorstellen. Häufig wird ein Linearregler zum Erzeugen der Spannung Vdd/2 verwendet. Wenn aber eine hohe Ausgangsleistung gewünscht ist, kommt ebenso ein Schaltwandler in Frage. Der neue 0-V-Punkt kann als ‚virtuelle Masse‘ bezeichnet werden. Bild 1 illustriert das Konzept, bei dem eine Eingangsspannung durch zwei geteilt und gepuffert wird, um Vout zu erzeugen.

Eine andere Variante der Rail-Splitter-Schaltung teilt eine Eingangsspannung Vin in zwei bipolare Ausgangsspannungen ±Vout. Zum Beispiel lässt sich aus 3,3 V am Eingang eine Spannung von ±5 V am Ausgang generieren. Dies geschieht meist mit zwei Schaltwandlern, bei denen es sich häufig um einen Aufwärtswandler (Boost Converter) und einen Abwärts-Aufwärtswandler (Buck-Boost Converter) handelt. Eine dritte Variante produziert aus einer positiven Eingangsspannung eine negative Ausgangsspannung (z. B. -5 V aus +5 V), sodass eine bipolare Versorgungsspannung von ±5 V bereitgestellt wird. (An dieser Stelle könnte eingewendet werden, dass eine andere Terminologie verwendet werden sollte, da diese Schaltungen keinen neuen 0-V-Punkt erzeugen und somit keine virtuelle Masse bereitstellen.)

Ein Rail Splitter, der eine neue virtuelle Masse erzeugt, muss als Stromquelle und Stromsenke arbeiten können und mit einer kapazitiven Last an seinem Ausgang stabil sein. Grundsätzlich lässt sich eine Versorgungsspannung auch mit einem Spannungsteiler aus Widerständen aufteilen, auch wenn man hierbei von der Impedanz der Widerstände abhängig ist. Diese Technik findet deshalb nur begrenzt Anwendung, sie eignet sich aber für Verbraucher mit hoher Impedanz (z. B. nicht invertierende Eingänge von Operationsverstärkern). In diesem Beitrag geht es allerdings um die Optionen zur Herstellung von Rail Splittern mit geringer Impedanz.

Der TLE2426 – ein klassisches Rail-Splitter-IC

Der TLE2426 erzeugt aus einer Eingangsspannung (IN), die zwischen 4 V und 40 V betragen kann, eine gepufferte Ausgangsspannung (OUT) von IN/2 (siehe Bild 1). Das IC ist für einen Umgebungstemperaturbereich von 0 °C bis 70 ° spezifiziert, wird aber auch in zwei weiteren Versionen angeboten: die Automotive-qualifizierte Ausführung TLE2426-Q1 ist für -40 °C bis +125 °C ausgelegt, die für hochzuverlässige Designs vorgesehene Version TLS2426-EP dagegen für -55 °C bis +125 °C. Das IC besitzt eine Ruhestromaufnahme von 170 μA und einen geringen Ausgangs-Offset von 100 μV innerhalb des Laststrombereichs von ±10 mA. Es ist stabil bei kapazitiven Lasten innerhalb des von der Kennlinie im Datenblatt angegebenen Bereichs. In [1] ist eine Möglichkeit beschrieben, das Anlaufen dieses IC und anderer Bausteine zu beschleunigen, wenn ein Filterkondensator am Mittelpunkt des Widerstandsteilers (Pin 8 in Bild 1) verwendet wird.

TPS51200 und TPS53317 – DDR-Abschlussregler mit Quellen- und Senkenfähigkeit

Ein Mangel des TLE2426 ist seine minimale Eingangsspannung von 4 V, die ihn für Anwendungen mit niedrigeren Vin-Werten, wie sie heute an der Tagesordnung sind, ungeeignet macht. Der TPS51200 ist für den Einsatz als DDR-Speicherabschluss ausgelegt und kann als Stromquelle und -senke fungieren. Er ist für Temperaturen von -40 °C bis +85 °C spezifiziert, die Automotive-Version TPS51200-Q1 für -40 °C bis +125 °C. Das IC akzeptiert an seinem VLDOIN-Eingang eine Spannung von 1,1 V bis 3,5 V, die herabdividiert und als gepufferte Ausgangsspannung am VO-Pin bereitgestellt wird. VO kann zwischen 0,5 V und 1,8 V betragen. Für sich selbst benötigt das IC außerdem eine Versorgungsspannung (VIN) von 3,3 V oder 2,5 V. Das Teilerverhältnis wird durch die am REFIN-Pin liegende Spannung bestimmt, die häufig mithilfe eines Widerstandsteilers vom VLDOIN-Pin bezogen wird. Ebenso wie beim TLE2426 ist die Ausgangsspannung auch hier ungeregelt. Sie hängt jedoch von der Spannung an REFIN ab und folgt dieser. Ein Filterkondensator parallel zum Widerstandsteiler wirkt in gewissem Umfang abschwächend auf höherfrequente AC-Störgrößen. Die fehlende Regelung muss kein Problem darstellen, wenn VO als Gleichtaktspannung im gesamten System einschließlich des ADC verwendet wird. Besitzt der ADC einen echten oder pseudo-differenziellen Eingang, so erscheint diese Gleichtaktspannung an beiden Eingängen und wird deshalb infolge der Gleichtaktunterdrückung des ADC entfernt. Der Grenzstrom des TPS51200 ist größer als 3 A, und das thermisch optimierte QFN-Gehäuse des Bausteins ermöglicht höhere Ausgangsströme. Die empfohlenen keramischen Ausgangskondensatoren mit einem kombinierten ESR von weniger als 2 mΩ sind unbedingt möglichst nah am VO-Pin und auf derselben Leiterplattenseite wie das IC zu platzieren. Mehr hierzu im Datenblatt unter ‚Layout Considerations‘. 

Werden noch höhere Quellen- und Senkenströme benötigt, kann der für bis zu ±6 A geeignete geschaltete DDR-Abschlussregler TPS53317 verwendet werden. Er eignet sich für Vin-Werte von 1 V bis 6 V und stellt am Ausgang Spannungen von 0,6 V bis 2 V zur Verfügung. Er basiert auf der für ein schnelles Lastsprungverhalten konzipierten DCap+-Regelung. Für sich selbst benötigt das IC eine Hilfsspannung Vin von 5 V. Sein Ausgang wird im Non-Tracking-Modus auf seine eigene interne Referenzspannung von 2 V geregelt. Wird eine Spannung an den VREIN-Pin gelegt, kann der Baustein während des Hochfahrens und danach dieser Spannung folgen.

Die Spannungsreferenzen REF3xxx und REF20xx Gelegentlich wird ein besonders kleiner und stromsparender Rail Splitter benötigt – beispielsweise in einer per Batterie oder Energy Harvesting versorgten Anwendung. Einige Spannungsreferenzen können als Stromquelle und Stromsenke fungieren, und die meisten sind an kapazitiven Lasten stabil. Tabelle 1 zeigt die Optionen. Obwohl für den REF3xxx nur Versionen mit 1,25 V Ausgangsspannung ausgewiesen sind, gibt es hier auch Ausführungen für andere Spannungen. Teilt man die Versorgungsspannung mithilfe einer Spannungsreferenz, muss man häufig gewisse Kompromisse an der Symmetrie der Aufteilung in Kauf nehmen. Soll beispielsweise eine Spannung von 3,3 V geteilt werden, wäre eine 1,8-V-Spannungsreferenz der nächste geeignete Baustein, was allerdings eine asymmetrische Versorgungsspannung von +1,8 V/-1,5 V ergäbe. Mit 1,8 V Ausgangsspannung verfügbar ist nur der REF3318, der somit hier in Frage käme.

Die neuen, speziellen Spannungsreferenzen REF19xx und REF20xx besitzen einen zweiten, gepufferten Split-Rail-Ausgang. Dieser dient eigens dem Zweck, für Signalketten-Bausteine eine Vorspannung bereitzustellen, die der Hälfte der Spannung am Haupt-Referenzausgang entspricht. Die Version REF1930 zum Beispiel besitzt einen Haupt-Vref-Ausgang mit 3 V und zusätzlich einen gepufferten 1,5-V-Ausgang. Zusätzlich werden weitere Spannungsoptionen angeboten.

Operationsverstärker als Rail Splitter

Das Prinzip dieser Lösung besteht darin, die Versorgungsspannung mit einem Widerstandsteiler zu teilen und wie in Bild 1 einen Operationsverstärker, der nicht invertierend und mit Eins-Verstärkung konfiguriert ist, als Puffer zu nutzen. Bei der Verwendung eines Universal-Operationsverstärkers zum Aufteilen der Versorgungsspannung ist jedoch Vorsicht geboten, denn viele OpAmps werden mit kapazitiver Last instabil, speziell wenn sie als Folgerschaltung mit Verstärkungsfaktor eins konfiguriert sind. Bausteine wie der LPV521 kommen grundsätzlich in Frage, allerdings kann dann nur eine begrenzte Kapazität direkt an den Ausgang gelegt werden. Im Datenblatt finden sich Einzelheiten zur Phasenreserve, wenn Kapazitäten hinzugefügt werden. Viele Operationsverstärker kommen mit mehr Lastkapazität zurecht, sofern diese mit einem Serienwiderstand vom Ausgang isoliert wird. Das Datenblatt zum LPV512 zeigt diese Methode ebenso wie die Verwendung eines RC-Snubbers zur Verbesserung der Phasenreserve. Die sechs Möglichkeiten zur Kompensation eines Operationsverstärkers beim Ansteuern von Kapazitäten sind in der Literatur bereits beschrieben [2].

Einige Operationsverstärker, darunter auch die der LM8x- oder LM7x-Reihe in Tabelle 2, können aufgrund ihrer Architektur angeblich an unbegrenzt hohen Lastkapazitäten betrieben werden. Der BUF634 ist ebenfalls aufgeführt, weil er im Feedback-Netzwerk eines Präzisions-Operationsverstärkers verwendet werden kann, um eine Art Verbund-Operationsverstärker mit hoher Genauigkeit und hoher Treiberleistung am Ausgang zu konfigurieren. Ungeachtet dessen ist aber beim Ansteuern kapazitiver Lasten Vorsicht geboten.

LM7705 zur Erzeugung einer negativen Vorspannung

Der LM7705 erzeugt aus einer Eingangsspannung von 3 V bis 5,25 V eine Ausgangsspannung von -232 mV mit bis zu 26 mA. Der vorgesehene Einsatzzweck dieses Bausteins sind Anwendungen mit unipolarer Versorgungsspannung, in denen die Operationsverstärker an ihren Ausgängen Treiberspannungen bis 0 V herab erzeugen müssen. In solchen Single-Rail-Applikationen geraten selbst die so genannten Rail-to-Rail-Operationsverstärker jenseits von 0 V in die Sättigung. Dieses Problem löst der LM7705, indem er eine kleine negative Versorgungsspannung bereitstellt, mit deren Hilfe der OpAmp-Ausgang bis auf 0 V kommt. Je niedriger die Versorgungsspannungen werden, umso mehr ist es notwendig, den verfügbaren Spannungsbereich in vollem Umfang auszunutzen. Bei dem IC handelt es sich um einen Ladungspumpen-Regler, bei dem mit zusätzlichen Vor- und Nachregelstufen eine geringe Restwelligkeit von 4 mVP-P am Ausgang erreicht wird.

Invertierende Ladungspumpe TPS60400/1/2/3 (plus optionalem TPS72301) Einfache invertierende Ladungspumpen beispielsweise aus der TPS60400-Familie erzeugen an ihrem Ausgang eine Spannung, die den gleichen Betrag wie die Eingangsspannung, aber das umgekehrte Vorzeichen hat. Da die Regelgenauigkeit des Ausgangs nicht sehr hoch ist, können sie mit einem Baustein wie dem TPS72301, einem LDO mit negativem Ausgang und hoher Versorgungsspannungs-Unterdrückung kombiniert werden, um die Regeleigenschaften zu verbessern und das Rauschen zu verringern. Die Bausteine der Reihe TPS6040x sind auch als Automotive-qualifizierte Versionen (TPS6040x-Q1) verfügbar. Wenn in einer Schaltung bereits ein anderer Gleichspannungswandler vorhanden ist, kann mit dessen Schaltknoten sowie diskreten Kondensatoren und Dioden ein Ladungspumpen-Ausgang geringer Leistung konfiguriert werden [3].

Die Buck-Boost-Wandler TPS63700 und LMR70503 zur Erzeugung negativer Versorgungsspannungen

Der TPS63700 kann aus einer Eingangsspannung von 2,7 V bis 5,5 V eine Ausgangsspannung zwischen -2 V und -15 V erzeugen. Der Baustein basiert auf einer Buck-Boost-Topologie und arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 1,38 MHz. Der angegebene typische Schaltstrom-Grenzwert von 1 A darf nicht mit dem verfügbaren Ausgangsstrom verwechselt werden. Der maximal verfügbare Ausgangsstrom (Iout) für einen bestimmten MOSFET-Grenzstrom (Iq) beträgt ungefähr Iout = ƞ x (1-D) x (Iq – Iripple/2). Darin steht ƞ für den Wirkungsgrad, Iripple ist der Welligkeitsstrom (Peak to Peak) und D ist das Tastverhältnis (D = Vout / (Vout – Vin)). Es empfiehlt sich, bei dieser Berechnung den minimalen Iq-Wert aus dem Datenblatt (in diesem Fall 0,86 A) anzusetzen. Im Datenblatt finden sich außerdem Kennlinien mit dem maximalen Iout-Wert über Vin und Vout.

An das im User Guide zum Evaluation Board vorgegebene Leiterplatten-Layout sollte man sich unbedingt genau halten. Wenn es in rauscharmen Anwendungen angezeigt ist, sehr hochfrequente Störgrößen am Ausgang eines Gleichspannungswandlers zu entfernen, kann dem betreffenden Ausgang ein LC-Filter mit Ferritperlen-Drossel nachgeschaltet werden.

Für sehr kompakte Lösungen eignet sich der LMR70503, der aus einer Eingangsspannung von 2,8 V bis 5,5 V eine Ausgangsspannung von -0,9 V bis -5,5 V erzeugt. Der verfügbare Ausgangsstrom hängt von den gewählten Ein- und Ausgangsspannungen ab. Bei Vin = 3,3 V und Vout = -5 V beträgt er ungefähr 75 mA. Der Baustein besitzt ein kleines DSBGA-Gehäuse.

TPS54160A – Eine Dual Split-Rail-Versorgung mit großem Eingangsspannungsbereich

Eine umfangreiche Sammlung von Design-Gleichungen wurde in einer Applikationsschrift für den TPS54160A entwickelt, einem 1,5-A-Abwärtswandler mit 60 V Eingangsspannung [4]. Der Baustein nutzt eine gekoppelte Induktivität, um beispielsweise ±12 V aus einer Eingangsspannung von 24 V zu erzeugen. Um sehr rauscharme Stromversorgungen für besonders empfindliche analoge Bauelemente zu konfigurieren, lassen sich an die Ausgänge des Gleichspannungswandlers LDOs mit hoher Versorgungsspannungs-Unterdrückung, geringem Rauschen und großem Eingangsspannungsbereich anschließen. Für die negative Spannung kommen der TPS7A3001 (0,2 A) oder der TPS7A3301 (1 A) in Frage, für die positive Spannung der TPS7A4901 (0,15 A) oder der TPS7A4700 (1 A). Für höhere Ströme eignet sich der TPS54260.

Rail Splitter für Audioverstärker

Diese Technik wurde in [5] bereits ausführlich behandelt und wird deshalb hier nicht näher beschrieben.

Die doppelten Split-Rail-Versorgungen TPS65130/1/2/3 Diese kompakten ICs sind einsetzbar, wenn aus einer unipolaren Eingangsspannung eine bipolare Versorgungsspannung erzeugt werden soll und keine übermäßig hohen Lastströme benötigt werden. In allen Fällen sollte bei allen Gleichspannungswandler-Designs die Verlustleistung berechnet werden, da die ICs in der Regel nicht unter allen Umständen die maximale Ausgangsleistung liefern können. Die Wirkungsgrad-Kennlinien im Datenblatt können dabei helfen, für eine bestimmte Ausgangsleistung (Pout) die Verlustleistung Pd für jede Ausgangsspannung zu berechnen. Pd = (1/ƞ - 1) x Pout (ƞ ist der Wirkungsgrad).