Da tensione singola a duale.

Quando serve una tensione duale.

Nello sviluppo di sistemi a microcontroller, che, tipicamente sono alimentati a tensione singola, capita di avere la necessità di aggiungere operazionali, instrumentation amplifiers o altri integrati lineari per condizionare segnali in ingresso o uscita che richiedono una tensione di alimentazione duale.

Il problema è sensibile nelle applicazioni a batteria, dove non si dispone che di una sola fonte di alimentazione, ma anche in apparati alimentati dalla rete può essere scomodo modificare l'alimentatore in modo da produrre anche la tensione duale per l'area analogica.

Fortunatamente esistono integrati che possono effettuare la conversione da una tensione singola ad una doppia: quello che trattiamo qui è il MAX865 di Maxim che presenta il vantaggio di essere un charge pump, senza l'impiego di bobine.

Maxim lo indica come sostituto preferenziale di MAX680. Lo schema applicativo è semplicissimo. La pompa di carico produce una tensione +2Vi e -2Vin con una alimentazione tra 1.5 e 6V. Quindi, con Vin=3.3V avremo in uscita a vuoto +/-6.6V e con Vin=5V avremo +/-10V. Il foglio dati indica la possibilità di estrarre fino a 20mA (anche se le prove effettuate indicano in 10-15mA il massimo prima di una significativa riduzione della tensione in uscita).  Un oscillatore interno tra 20kHz e 38kHz riduce il rumore nella banda audio e permette un basso consumo di corrente media. Inoltre, è possibile collegare più convertitori in parallelo per aumentare la corrente in  uscita.

Lo schema seguente dà una idea del funzionamento del circuito.

L'oscillatore interno genera una forma d'onda con il duty cycle al 50%. Durante il primo mezzo ciclo, gli interruttori S2 e S4 sono aperti, mentre S1 e S3 sono chiusi: in questo modo C1 si carica con la tensione Vin.
Nel secondo mezzo ciclo S1e S3 si chiudono, mentre si aprono S2 e S4: la carica è trasferita da C1 a C3, generando l'uscita +2Vin.

La sezione negativa del convertitore dispone S6 e S8 aperti e S5 e S7 chiusi durante la prima semionda, il che carica C2 tra Vin e GND. Nel secondo mezzo ciclo la disposizione degli interruttori si inverte e la carica è trasferita a C4, generando la -2Vin.

Gli interruttori sono MOSFET: S1,2,4,5 sono P e S3,6,7,8 sono a canale N.

C'è da osservare che il circuito non ha funzione di stabilizzazione della tensione di uscita. La resistenza interna dei rami della pompa di carico è circa 150ohm; quindi, la tensione a vuoto diminuirà sotto carico in funzione della corrente assorbita.

Il ripple dipende dalla capacità dei condensatori C3 e C4, dalla loro ESR e dalla corrente del carico, secondo questa formula:

Vripple = 1/2 Iload (1/Fpump) (1/C)

dove Iload è la corrente al carico, Fpump può essere considerare in media 30kHz e C è la capacità dei condensatori.
Ad esempio, con C=3.3uF e 5mA di carico il ripple è attorno ai 25mV.
Per mantenere basso il ripple è importante impiegare (come sempre, nei circuiti switch mode) condensatori a basso ESR.

Un problema nell'impiego hobbistico di questo interessante componente è costituito dal suo package: si tratta della forma denominata uMAX, che, in sostanza, è un MSOP a 8 pin con passo 0.65mm. Questo rende necessario un circuito stampato molto preciso e un buon attrezzo per la saldatura.

Per contro, consente di realizzare il tutto su una piastrina  di dimensioni minuscole

Il circuito è stato realizzato su una superficie mono rame da 15x11mm.

Sono stati usati condensatori al tantalio da 10uF- 16V per minimizzare il ripple. Usando elementi ceramici multistrato si potrà avere una riduzione dell' ESR. Il circuito stampato permette di saldare condensatori di diverse dimensioni (da 805 a 6032). Dal punto di vista pratico, si salderà per primo l'integrato, seguito dagli altri componenti.

Nulla vieta di usare un circuito stampato meno compresso o condensatori non smd, ad esempio tantalio a goccia, che saranno inseriti dal lato opposto del c.s.

La piastra del pcb è 0.8mm di spessore perchè, date le dimensioni molto ridotte, è più pratica da tagliare piuttosto che le solite da 1.6mm. 

Un modulo del genere  può essere aggiunto a un  circuito quando sia necessario alimentare parti analogiche a tensione duale senza dover disporre di un alimentatore più complesso del solito tre terminali: le dimensioni extra piccole non dovrebbero creare problemi anche in montaggi compatti.

Alcune misure di test con condensatori ceramici multistrato da 4.7uF sullo stampato 
Sono aggiunti due elettrolitici da 47uF in parallelo alle uscite. 
Tensione di ingresso: Vin=5V

Per correnti superiori a 10mA la tensione scende decisamente e probabilmente questo è il limite pratico di impiego. Il ripple dipende dai condensatori e dalla corrente di uscita; al massimo è dell'ordine dei 40mVpp.
Il rendimento resta superiore all'80%.

I risultati sono in linea con le attese: le uscite non sono stabilizzate e la resistenza interna degli switches della pompa di carico produce una cdt proporzionale alla corrente erogata. I due rami sono leggermente dissimmetrici, ma questo non comporta problemi negli usi comuni.

Altre informazioni.

• foglio dati MAX685

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