Explorer les composants pour concevoir des rails de tension négatifs

La plupart des dispositifs électroniques actuels fonctionnent sur des rails d'alimentation positifs simples tels que 3,3 V ou 5 V. Mais de nombreuses applications modernes exigeant une excursion de signal bipolaire complète, une polarisation équilibrée ou des performances analogiques spécifiques peuvent conduire les concepteurs vers le territoire moins familier des rails de tension négatifs.

La plupart des circuits intégrés — microcontrôleurs, processeurs, capteurs numériques et mémoires — fonctionnent sur des seuls rails d'alimentation positifs. Les cartes de développement telles que celles d'Arduino reposent essentiellement sur une alimentation uniquement positive. Les circuits intégrés de gestion de l'alimentation (PMIC) sont souvent développés dans le but de générer plusieurs rails positifs à partir d'une seule entrée de batterie ou d'adaptateur.

Cela peut amener les concepteurs à considérer la tension négative comme un vestige d'une époque révolue de l'électronique. Cependant, les tensions négatives restent essentielles pour une large gamme d'applications à signaux mixtes et analogiques, y compris la mise en forme des signaux, l'instrumentation, les interfaces de capteurs, la conversion de données et les circuits d'amplificateurs opérationnels de précision. Comprendre quand et pourquoi un rail négatif est nécessaire peut ouvrir un plus large éventail de possibilités de conception et aider à éviter des erreurs coûteuses.

Certaines conceptions requièrent un rail de tension négatif pour fonctionner correctement et efficacement :

• Les circuits de mise en forme des signaux de capteurs utilisant des configurations d'amplificateur opérationnel nécessitent souvent un rail négatif pour permettre aux signaux de descendre sous la masse.
• Les interfaces de communication héritées, telles que RS-232, requièrent des tensions positives et négatives pour garantir une signalisation de niveau logique appropriée.
• Les amplificateurs audio et de mesure utilisent fréquemment des alimentations bipolaires pour améliorer la marge, réduire la distorsion et augmenter la linéarité.
• Les photodiodes et capteurs MEMS modernes peuvent dépendre d'une petite tension de polarisation négative pour une précision et des performances optimales.

Les clés d'une conception réussie

Certains concepteurs peuvent supposer que les tensions négatives sont uniquement destinées aux systèmes hérités ou à haute tension, mais de nombreux capteurs de précision, amplificateurs et circuits de polarisation dans les conceptions actuelles requièrent des alimentations négatives modestes — souvent de quelques volts seulement — pour fonctionner de manière optimale.

Dans les systèmes à signaux mixtes où l'espace et la puissance sont limités, la capacité à générer une tension négative propre et efficace à partir d'un seul rail positif peut être cruciale pour la réussite de la conception.

Une idée fausse très répandue est que la génération d'une tension négative implique toujours des transformateurs volumineux ou des systèmes à double alimentation complexes. En réalité, les circuits intégrés modernes, tels que les pompes à charge et les régulateurs inverseurs, simplifient la création d'un rail négatif à partir d'une seule alimentation positive, même dans les conceptions basse consommation compactes.

Une erreur fréquente consiste à considérer la masse comme un point de référence de tension nulle absolu sur tous les circuits. Dans les alimentations divisées ou bipolaires, la « masse » est juste le point médian entre une tension positive et une tension négative (par exemple, ±15 V), et non un zéro global fixe. Cependant, dans les systèmes isolés, chaque circuit peut avoir sa propre référence de masse, et supposer qu'ils sont tous liés ensemble peut entraîner des erreurs de conception.

Un autre piège de conception consiste à supposer que « masse » a toujours la même signification dans un circuit. La masse est simplement un point de référence et sa signification peut varier en fonction de la configuration de l'alimentation ou des limites d'isolement. Cette incompréhension peut entraîner des problèmes dans les conceptions analogiques, où les amplificateurs opérationnels ou les capteurs peuvent ne pas se comporter comme prévu si les références de tension ne sont pas correctement alignées avec la masse réelle du circuit. Dans les systèmes d'alimentation isolés ou bipolaires, considérer la masse comme un 0 V universel peut causer des erreurs de signal, des problèmes de bruit ou même des défaillances matérielles.

Une méconnaissance des rails négatifs peut conduire à négliger des considérations de configuration critiques, telles que des chemins de retour appropriés, un découplage efficace et une isolation du bruit. Cela peut entraîner une instabilité ou une réduction des performances analogiques. Par exemple, les chemins de retour appropriés deviennent plus complexes lorsque des alimentations positives et négatives sont présentes : la masse n'est plus le potentiel le plus bas et un routage négligent peut créer des boucles de masse ou des chemins de courant imprévus.

Des condensateurs de découplage doivent être placés stratégiquement pour les rails positifs et négatifs, et avoir des connexions à faible inductance pour minimiser l'ondulation de tension et les pics transitoires. L'isolation du bruit est également plus difficile dans les systèmes à signaux mixtes où le bruit de commutation numérique peut se coupler à des circuits analogiques sensibles via des plans de masse ou d'alimentation partagés. Sans un partitionnement et un filtrage minutieux et une compréhension claire du flux de courant, les avantages d'un circuit d'entrée analogique de précision peuvent être perdus en raison de l'instabilité, du bruit ou de la dérive introduits par les artefacts de l'alimentation.

Identifier ces défis en amont permet d'éviter l'écrêtage des signaux, une plage dynamique médiocre et des modifications de conception ultérieures, étendant ainsi les possibilités de conception et contribuant à prévenir les erreurs coûteuses.

Les concepteurs disposent de plusieurs options éprouvées pour générer des tensions négatives à partir d'un seul rail positif, en fonction de la complexité du système, des besoins en courant de sortie et des exigences de rendement. Analog Devices, Inc. (ADI) propose un vaste portefeuille de solutions, s'étendant des simples pompes à charge aux régulateurs à découpage hautes performances, qui simplifient la génération de tension négative pour les concepteurs affichant différents niveaux d'expérience.

Régulateurs de pompe à charge

Pour les conceptions à espace restreint nécessitant un rail négatif modeste — comme pour la polarisation d'amplificateurs opérationnels ou les références de signaux de capteurs — les pompes à charge à faible chute de tension LTC1983 ne requièrent que trois condensateurs externes (Figure 1).

Figure 1 : Application d'un convertisseur de pompe à charge LTC1983 fournissant -3 V jusqu'à 100 mA. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Le LTC1983 génère une tension négative régulée en inversant la polarité de l'entrée positive, ce qui le rend parfaitement adapté à l'alimentation de rails analogiques à faible courant exigeant jusqu'à 100 mA de courant. Il convient aux applications basse consommation, telles que la polarisation d'amplificateurs opérationnels, l'ajustement du décalage des capteurs ou les petites charges analogiques dans les systèmes à espace restreint. Il ne requiert pas d'inductances, ce qui facilite la configuration, mais il implique des compromis en matière de flexibilité, de rendement et de performances de bruit de sortie.

Pour une flexibilité et un rendement supérieurs, le LTC3265, plus robuste, est une pompe à charge à sortie double capable de générer des rails ajustables positifs et négatifs à partir d'une seule alimentation (Figure 2). Avec des régulateurs LDO à faible bruit intégrés, il fournit jusqu'à ±100 mA avec une haute précision et une faible ondulation, ce qui le rend parfaitement adapté aux conceptions à signaux mixtes, à l'instrumentation de précision et aux interfaces de capteurs industriels.

Figure 2 : Conception de circuit avec le LTC3265 intégrant des régulateurs LDO à faible bruit pour fournir des sorties de ±15 V à partir d'une seule entrée de 12 V. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Le LTC3265 offre beaucoup plus de marge que le LTC1983 pour la mise à l'échelle des performances, la gestion du bruit et l'intégration avec des sous-systèmes analogiques exigeants, ce qui en fait le meilleur choix lorsque des rails propres et la fiabilité ne sont pas négociables.

Convertisseurs abaisseurs-élévateurs

Lorsque des courants de sortie plus élevés ou un rendement supérieur sont nécessaires, les convertisseurs abaisseurs-élévateurs inverseurs offrent une solution efficace et robuste. Ces circuits inversent la tension d'entrée et la régulent à une sortie négative, souvent avec des plages entrée/sortie étendues et un excellent rendement. Le LTC3863 d'ADI est un contrôleur inverseur robuste capable de générer des tensions de sortie négatives jusqu'à -150 V. Il est idéal pour les systèmes industriels et de communication.

Le LT8624S est une alimentation à découpage silencieuse qui peut être configurée en mode inverseur pour fournir des rails négatifs haut rendement avec des EMI ultrafaibles, ce qui le rend particulièrement adapté aux domaines analogiques sensibles au bruit.

Une autre option adaptée aux besoins de polarisation de capteurs ou d'amplificateurs opérationnels bipolaires est l'ADP5076, un régulateur à découpage à sortie double qui génère simultanément des rails positifs et négatifs (par exemple, +12 V et -12 V) à partir d'une seule entrée.

Génération de tension négative isolée

Les applications exigeant une séparation de la masse pour la sécurité, l'immunité au bruit ou l'isolement fonctionnel, comme les E/S industrielles, l'instrumentation médicale ou les systèmes automobiles, requièrent une génération de tension négative isolée. Un convertisseur CC/CC basé sur transformateur, typiquement une topologie indirecte (flyback) (Figure 3) ou push-pull, transfère l'énergie à travers une barrière galvanique et produit une tension à la fois négative et électriquement séparée du côté entrée.

Figure 3 : Ce schéma illustre un convertisseur indirect typique avec plusieurs enroulements de sortie. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Le LT3758 est un contrôleur CC/CC hautes performances conçu pour les topologies de types élévateur, SEPIC, indirect et inverseur. Il peut être configuré pour générer des rails négatifs isolés à l'aide d'un transformateur flyback et fournir une tension de sortie négative ajustable jusqu'à 100 V. Bien qu'il ne nécessite pas de photocoupleur, dans de tels cas, il générera une tension négative non régulée. Une tension négative régulée peut être obtenue en ajoutant un régulateur LDO à entrée négative à la sortie.

Pour les applications multi-rails où l'espace carte est limité et la flexibilité essentielle, les concepteurs peuvent opter pour le LT8471 d'ADI, un contrôleur polyvalent à deux canaux qui permet à chaque canal d'être configuré indépendamment comme élévateur, abaisseur-élévateur, SEPIC ou indirect. Cela permet une large gamme de combinaisons de tensions de sortie, positives et négatives. Par exemple, un canal peut générer +12 V et le second -12 V, ou un canal peut être configuré comme élévateur à +24 V et le second comme indirect isolé à -5 V. Cela permet aux concepteurs de réduire l'espace carte et la nomenclature.

Certaines applications, en particulier celles commandant des MOSFET de puissance, requièrent des tensions de commande de grille négatives pour une commutation sûre et efficace. L'ADuM4120 est un circuit d'attaque de grille isolé qui permet l'utilisation de tensions négatives sur la borne grille-source, ce qui le rend particulièrement utile dans les conceptions de commutation haut potentiel ou en demi-pont (Figure 4).

Figure 4 : Dans ce circuit, l'ADuM4120 commande une configuration d'alimentation bipolaire. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Lorsque les délais de commercialisation et l'espace carte sont critiques, les développeurs peuvent simplifier les conceptions de rails négatifs en tirant parti des régulateurs µModule d'ADI. Le LTM4655 est un régulateur µModule abaisseur-élévateur inverseur entièrement intégré avec deux canaux de sortie entièrement indépendants qui peuvent être configurés pour une sortie négative ou positive régulée.

Conclusion

Il n'est pas rare que les dispositifs Internet des objets (IoT), les capteurs industriels, les instruments de précision et même les équipements médicaux exigent des rails de tension positifs et négatifs. En choisissant la bonne topologie — qu'il s'agisse d'une pompe à charge pour la simplicité ou d'une alimentation à découpage pour le rendement — les concepteurs peuvent intégrer des tensions négatives dans les systèmes modernes sans ajouter de complexité significative. Le large portefeuille de produits et les conceptions de référence d'ADI aident les concepteurs à éviter les incertitudes.