Exploración de componentes para crear rieles de voltaje negativo

La mayoría de los dispositivos electrónicos modernos funcionan con fuentes de alimentación directas y positivas, como 3.3 V o 5 V. Sin embargo, muchas aplicaciones modernas que requieren una oscilación de señal bipolar completa, polarización equilibrada o un rendimiento analógico específico pueden llevar a los diseñadores a un terreno menos familiar: los carriles de tensión negativa.

La mayoría de los circuitos integrados (microcontroladores, procesadores, sensores digitales y memorias) funcionan con un único riel de alimentación positiva. Las placas de desarrollo, como las de Arduino, dependen en su gran mayoría de alimentación positiva. Los circuitos integrados de gestión de energía (PMIC) suelen desarrollarse con el objetivo de generar múltiples rieles positivos a partir de una sola batería o entrada de adaptador.

Esto puede llevar a los diseñadores a considerar el voltaje negativo como una reliquia de una época anterior de la electrónica. Sin embargo, los voltajes negativos siguen siendo esenciales para una amplia gama de aplicaciones analógicas y de señal mixta, incluyendo el acondicionamiento de señales, la instrumentación, las interfaces de sensores, la conversión de datos y los circuitos operacionales de precisión. Comprender cuándo y por qué es necesario un riel negativo puede ampliar las posibilidades de diseño y ayudar a evitar costosos descuidos.

Los diseños específicos requieren un riel de voltaje negativa para funcionar correctamente y de manera eficiente:

• Los circuitos de acondicionamiento de señales de sensores que utilizan configuraciones de amplificadores operacionales suelen necesitar un riel negativo para permitir que las señales oscilen por debajo del nivel de tierra.
• Las interfaces de comunicación heredadas, como RS-232, requieren voltajes positivos y negativos para garantizar una señalización adecuada del nivel lógico.
• Los amplificadores de audio e instrumentación suelen utilizar fuentes de alimentación bipolares para mejorar el margen dinámico, reducir la distorsión y aumentar la linealidad.
• Los sensores MEMS y fotodiodos modernos pueden depender de un pequeño voltaje de polarización negativa para obtener una precisión y un rendimiento óptimos.

Claves para diseños exitosos

Algunos diseñadores pueden suponer que los voltajes negativos solo se utilizan en sistemas antiguos o de alto voltaje, pero muchos sensores de precisión, amplificadores y circuitos de polarización de los diseños actuales requieren fuentes de alimentación negativas modestas, a menudo de solo unos pocos voltios, para funcionar de manera óptima.

En sistemas de señal mixta con limitaciones de espacio y potencia, la capacidad de generar un voltaje negativo limpio y eficiente a partir de un solo riel positivo puede ser crucial para el éxito del diseño.

Un error común es pensar que para generar un voltaje negativo siempre se necesitan transformadores voluminosos o complejos sistemas de alimentación doble. De hecho, los circuitos integrados modernos, como las bombas de carga y los reguladores inversores, simplifican la creación de un riel negativo a partir de una sola fuente de alimentación positiva, incluso en diseños compactos y de bajo consumo.

Un error frecuente consiste en considerar la tierra como un punto de referencia de tensión cero absoluto en todos los circuitos. En las fuentes de alimentación divididas o bipolares, la "puesta a tierra" es simplemente el punto medio entre un voltaje positivo y uno negativo (por ejemplo, ±15 V), no un cero fijo y global. Sin embargo, en sistemas aislados, cada circuito puede tener su propia referencia de tierra, y suponer que todos están conectados entre sí puede dar lugar a errores de diseño.

Otro error de diseño radica en asumir que la "puesta a tierra" siempre significa lo mismo en todo un circuito. El suelo es simplemente un punto de referencia y su significado puede variar en función de la configuración de la fuente de alimentación o los límites de aislamiento. Este malentendido puede causar problemas en diseños analógicos, donde los amplificadores operacionales o los sensores pueden no funcionar como se espera si las referencias de voltaje no están correctamente alineadas con la puesta a tierra real del circuito. En sistemas de alimentación aislados o bipolares, tratar la puesta a tierra como un 0 V universal puede provocar errores en las señales, problemas de ruido o incluso fallos en el hardware.

La falta de familiaridad con los rieles negativos puede dar lugar a que se pasen por alto consideraciones críticas del diseño, como las rutas de retorno adecuadas, el desacoplamiento eficaz y el aislamiento del ruido. Esto puede provocar inestabilidad o reducir el rendimiento analógico. Por ejemplo, las rutas de retorno adecuadas se vuelven más complejas cuando hay suministros positivos y negativos: la puesta a tierra ya no es el potencial más bajo y un enrutamiento descuidado puede crear bucles de tierra o rutas de corriente no deseadas.

Los capacitores de desacoplamiento deben colocarse estratégicamente tanto para los carriles positivos como para los negativos, y deben tener conexiones de baja inductancia para minimizar la ondulación de tensión y los picos transitorios. El aislamiento del ruido también es más complicado en sistemas de señal mixta, donde el ruido de conmutación digital puede acoplarse a circuitos analógicos sensibles a través de planos de puesta a tierra o de alimentación compartidos. Sin una partición cuidadosa, un filtrado adecuado y una comprensión clara del flujo de corriente, las ventajas de un front-end analógico de precisión pueden perderse debido a la inestabilidad, el ruido o la deriva introducidos por los artefactos de la fuente de alimentación.

Reconocer estos desafíos desde el principio ayuda a evitar el recorte de señales, un rango dinámico deficiente y la necesidad de reelaborar el diseño más adelante, lo que se traduce en un abanico más amplio de posibilidades de diseño y ayuda a evitar costosos descuidos.

Los diseñadores disponen de varias opciones probadas para generar tensiones negativas a partir de un único riel positivo, en función de la complejidad del sistema, las necesidades de corriente de salida y los requisitos de eficiencia. Analog Devices, Inc. (ADI) ofrece una amplia gama de soluciones, que van desde simples bombas de carga hasta reguladores de conmutación de alto rendimiento, que simplifican la generación de voltaje negativo para diseñadores con distintos niveles de experiencia.

Reguladores de bomba de carga

Para diseños con limitaciones de espacio que requieren un riel negativo modesto, como para el sesgo de amplificadores operacionales o referencias de señales de sensores, las bombas de carga de baja caída LTC1983 solo necesitan tres capacitores externos (Figura 1).

Figura 1: Una aplicación del convertidor de bomba de carga LTC1983 que proporciona -3 V a hasta 100 mA. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El LTC1983 genera un voltaje negativo regulado invirtiendo la polaridad de la entrada positiva, lo que lo hace muy adecuado para alimentar rieles analógicos de baja corriente que requieren hasta 100 mA de corriente. Es adecuado para aplicaciones de baja potencia, como polarización de amplificadores operacionales, ajuste de compensación de sensores o pequeñas cargas analógicas en sistemas con limitaciones de espacio. No requiere inductores, lo que facilita el diseño, pero sacrifica flexibilidad, eficiencia y rendimiento en cuanto al ruido de salida.

Para una mayor flexibilidad y eficiencia, el LTC3265, más resistente, es una bomba de carga de doble salida que puede generar rieles ajustables positivos y negativos a partir de una sola fuente de alimentación (Figura 2). Con reguladores LDO integrados de bajo ruido, ofrece hasta ±100 mA con alta precisión y baja ondulación, lo que lo hace muy adecuado para diseños de señales mixtas, instrumentación de precisión e interfaces de sensores industriales.

Figura 2: Un diseño de circuito con el LTC3265 integra reguladores LDO de bajo ruido para proporcionar salidas de ±15 V a partir de una sola entrada de 12 V. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El LTC3265 ofrece mucho más margen que el LTC1983 para escalar el rendimiento, gestionar el ruido e integrarse con subsistemas analógicos exigentes, lo que lo convierte en la mejor opción cuando la limpieza de los carriles y la fiabilidad son imprescindibles.

Convertidores reductores-elevadores

Cuando se necesitan corrientes de salida más altas o una mayor eficiencia, los convertidores inversores reductores-elevadores proporcionan una solución eficiente y resistente. Estos circuitos invierten la tensión de entrada y la regulan a una salida negativa, a menudo con amplios rangos de entrada/salida y una eficiencia excelente. El LTC3863 de ADI es un controlador inversor resistente capaz de generar voltajes de salida negativas de hasta -150 V. Esto lo hace ideal para sistemas industriales y de comunicaciones.

El LT8624S, un conmutador silencioso, se puede configurar en modo inversor para proporcionar rieles negativos de alta eficiencia con EMI ultrabajo. Esto lo hace especialmente adecuado para dominios analógicos sensibles al ruido.

Otra opción diseñada para amplificadores operacionales bipolares o necesidades de polarización de sensores es el ADP5076, un regulador de conmutación de doble salida que genera simultáneamente rieles positivos y negativos (por ejemplo, +12 V y -12 V) a partir de una sola entrada.

Generación aislada de voltaje negativo

Las aplicaciones que requieren separación de tierra por motivos de seguridad, inmunidad al ruido o aislamiento funcional, como las E/S industriales, la instrumentación médica o los sistemas de automoción, necesitan generar voltaje negativo aislado. Un convertidor CC-CC basado en un transformador, normalmente de tipo flyback (figura 3) o con topología push-pull, transfiere energía a través de una barrera de aislamiento y produce una tensión negativa y separada eléctricamente del lado de entrada.

Figura 3: Este esquema ilustra un convertidor flyback típico con múltiples bobinados de salida. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

El LT3758 es un controlador CC/CC de alto rendimiento diseñado para topologías de elevación, SEPIC (convertidor de inductor primario de un solo extremo), flyback e inversión. Se puede configurar para generar rieles negativos aislados mediante un transformador flyback y suministrar un voltaje de salida negativo ajustable de hasta 100 V. Aunque no requiere un optoacoplador, en tales casos generará un voltaje negativo no regulado. Se puede conseguir un voltaje negativo regulado añadiendo un regulador LDO de entrada negativa en la salida.

Para aplicaciones multiriel en las que el espacio en la placa es limitado y la flexibilidad es esencial, los diseñadores pueden optar por el LT8471 de ADI, un versátil controlador de doble canal que permite configurar cada canal de forma independiente como elevador, reductor-elevador, SEPIC o flyback. Esto permite una amplia gama de combinaciones de voltaje de salida, tanto positivas como negativas. Por ejemplo, un canal podría generar +12 V y el segundo -12 V, o un canal podría configurarse como un refuerzo a +24 V y el segundo como un flyback aislado de -5 V. Esto permite a los diseñadores reducir el espacio en la placa y la lista de materiales.

Algunas aplicaciones, en particular aquellas que controlan MOSFET de potencia, requieren tensiones de control de puerta negativas para una conmutación segura y eficiente. El ADuM4120 es un controlador de puerta aislado que permite el uso de tensiones negativas en el terminal de puerta-fuente, lo que lo hace especialmente útil en diseños de conmutación de lado alto o de medio puente (Figura 4).

Figura 4: En este diseño de circuito, el ADuM4120 controla una configuración de alimentación bipolar. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Cuando el tiempo de comercialización y el espacio en la placa son críticos, los diseñadores pueden simplificar los diseños de riel negativo aprovechando los reguladores µModule de ADI. El LTM4655 es un regulador µModule inversor reductor-elevador totalmente integrado con dos canales de salida totalmente independientes que se pueden configurar para una salida regulada negativa o positiva.

Conclusión

No es extraño que los dispositivos del Internet de las cosas (IoT), los sensores industriales, los instrumentos de precisión e incluso los equipos médicos requieran rieles de voltaje positivo y negativo. Al elegir la topología adecuada, ya sea una bomba de carga para mayor simplicidad o un conmutador para mayor eficiencia, los diseñadores pueden integrar voltajes negativos en los sistemas modernos sin añadir una complejidad significativa. La amplia gama de productos y diseños de referencia de ADI ayudan a los diseñadores a evitar las conjeturas.