負電圧レールを作成するコンポーネントの検討

現代の電子機器のほとんどは、3.3Vや5Vなどのシンプルな正電源レールで動作します。しかし、フルバイポーラ信号スイング、バランスの取れたバイアス、または特定のアナログ性能を必要とする多くの現代的なアプリケーションは、設計者を負電圧レールという馴染みのない領域へと導く可能性があります。

ほとんどのIC（マイクロコントローラ、プロセッサ、デジタルセンサ、メモリなど）は、単一の正電源レールで動作します。Arduinoなどの開発ボードは、圧倒的に正電源のみに依存しています。電源管理IC（PMIC）は、多くの場合、単一のバッテリまたはアダプタ入力から複数の正電源レールを生成することを目的として開発されます。

これにより、設計者は負電圧を電子工学の過去の遺物と見なすようになるかもしれません。ただし、負電圧は、信号調整、計測機器、センサインターフェース、データ変換、および高精度オペアンプ回路を含む、幅広いアナログおよび混合信号アプリケーションにおいて依然として不可欠です。負レールが必要となるタイミングと理由を理解することは、設計の可能性を広げ、コストのかかる見落としを回避するのに役立ちます。

特定の設計では、正しく効率的に動作するために負電圧レールが必要です。

• オペアンプ構成を使用したセンサ信号調整回路では、多くの場合、信号がグランドより下に振れるようにするため、負レールが必要となります。
• レガシー通信インターフェース（例：RS-232）は、適切なロジックレベル信号伝送を確保するために、正電圧と負電圧の両方が必要です。
• オーディオおよび計装アンプは、ヘッドルームの向上、歪みの低減、および線形性の向上のために、バイポーラ電源を頻繁に使用します。
• 現代のMEMSセンサとフォトダイオードは、最適な精度と性能を実現するために、小さな負のバイアス電圧に依存する場合があります。

設計成功の鍵

一部の設計者は、負電圧はレガシーシステムや高電圧システム専用だと考えるかもしれませんが、現在の設計では、多くの高精度センサ、アンプ、バイアス回路が、最適な動作のためにわずかな負電圧（通常は数ボルト程度）を必要としています。

スペースと電力に制約のある混合信号システムにおいて、単一の正レールからクリーンで効率的な負電圧を生成する能力は、設計の成功に不可欠な場合があります。

一般的な誤解の1つは、負電圧を生成するには必ず大型のトランスや複雑なデュアル電源システムが必要だということです。実際、チャージポンプやインバーティングレギュレータなどの現代のICを使用すれば、コンパクトで低電力の設計でも、単一の正電源から負レールを簡単に作成することができます。

よくある誤りとして、すべての回路においてグランドを絶対的なゼロ電圧の基準点と考えることが挙げられます。分割電源またはバイポーラ電源において、「グランド」は正と負の電圧（例：±15V）の中間点であり、固定されたグローバルなゼロ点ではありません。ただし、絶縁分離されたシステムでは、各回路に独自のグランド基準があり、それらがすべて接続されていると仮定すると、設計ミスにつながる可能性があります。

もう1つの設計上の落とし穴は、回路全体で「グランド」が常に同じ意味を持つと仮定することです。グランドは単なる基準点に過ぎず、その意味は電源構成や絶縁境界によって異なる場合があります。この誤解は、アナログ設計において問題を引き起こす可能性があります。アナログ設計において、オペアンプやセンサは、電圧基準が実際の回路のグランドと適切に一致していない場合、期待通りの動作をしない可能性があります。絶縁分離された電源システムやバイポーラ電源システムにおいて、グランドを普遍的な0Vとして扱うと、信号エラー、ノイズ問題、またはハードウェア故障が発生する可能性があります。

負レールに精通していないと、適切なリターンパス、効果的なデカップリング、ノイズ分離など、重要なレイアウト上の考慮事項を見落としてしまう可能性があります。 これにより、不安定な動作やアナログ性能の低下が発生する可能性があります。たとえば、正と負の電源が存在する場合、適切なリターンパスはより複雑になります。グランドは最も低い電位ではなくなるため、不注意な配線はグランドループや意図しない電流経路を引き起こす可能性があります。

デカップリングコンデンサは、正レールと負レールの両方に戦略的に配置し、低インダクタンス接続を採用することで、電圧リップルと過渡スパイクを最小限に抑える必要があります。また、混合信号システムでは、デジタルスイッチングノイズが共有グランドプレーンや電源プレーンを介して高感度アナログ回路にカップリングする可能性があるため、ノイズ分離はより困難となります。 適切な分割やフィルタリングを行わず、電流フローを明確に理解しなければ、電源アーチファクトによって生じる不安定性、ノイズ、ドリフトによって、高精度アナログフロントエンドの利点が失われる可能性があります。

このような課題を早期に認識することで、信号のクリッピングやダイナミックレンジの低下、設計のやり直しを回避し、設計の可能性を広げ、コストのかかる見落としを防ぐことができます。

設計者は、システムの複雑さ、出力電流の要件、効率要件に応じて、単一の正レールから負電圧を生成する複数の実績あるオプションを有しています。Analog Devices, Inc.（ADI）は、シンプルなチャージポンプから高性能スイッチングレギュレータまで、さまざまな経験を持つ設計者向けに負電圧生成を簡素化する幅広いソリューションポートフォリオを提供しています。

チャージポンプレギュレータ

LTC1983低ドロップアウトチャージポンプは、3つの外部コンデンサのみが必要です（図1）。この製品は、スペースが限られた設計で、オペアンプのバイアスやセンサ信号の基準電圧など、わずかな負レールが必要な場合に最適です。

図1：LTC1983チャージポンプコンバータアプリケーションでは、-3Vを最大100mAで供給します。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

LTC1983は、正の入力の極性を反転させることで安定化された負電圧を生成するため、最大100mAの電流を必要とする低電流アナログレールへの電源供給に非常に適しています。この製品は、オペアンプのバイアス、センサのオフセット調整、スペースが限られたシステムにおける小さなアナログ負荷などの低電力アプリケーションに適しています。インダクタを必要としないため、レイアウトが容易になりますが、その代わりに柔軟性、効率、および出力ノイズ性能が犠牲になります。

より高い柔軟性と効率が求められる場合は、より堅牢なLTC3265が利用できます。この製品は、単一電源から正と負の調整可能なレールを生成できるデュアル出力チャージポンプです（図2）。低ノイズLDOレギュレータを内蔵し、高精度と低リップルで最大±100mAを供給するため、混合信号設計、高精度計測機器、産業用センサインターフェースに非常に適しています。

図2：LTC3265を使用した回路設計では、低ノイズLDOレギュレータを統合し、単一の12V入力から±15V出力を供給します。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

LTC3265は、性能スケーリング、ノイズ管理、要求の厳しいアナログサブシステムとの統合において、LTC1983よりもはるかに大きなヘッドルームを提供し、クリーンなレールと信頼性が必須の場合に最適な選択肢となります。

昇降圧コンバータ

高出力電流や優れた効率が求められる場合、反転型昇降圧コンバータは効率的で堅牢なソリューションを提供します。これらの回路は入力電圧を反転し、負の出力に調整します。多くの場合、広範な入出力範囲と優れた効率を備えています。ADIのLTC3863は、-150Vまでの負の出力電圧を生成可能な堅牢な反転型コントローラです。そのため、産業用システムや通信システムに最適です。

Silent Switcher技術を搭載したLT8624Sは、反転モードで構成可能で、高効率の負レールと超低EMIを実現します。このため、ノイズの影響を受けやすいアナログ領域において特に適しています。

バイポーラオペアンプやセンサのバイアス要件に対応したもう1つのオプションは、ADP5076です。この製品は、単一の入力から正と負のレール（例：+12Vと-12V）を同時に生成するデュアル出力スイッチングレギュレータです。

絶縁された負電圧の生成

安全、ノイズ耐性、または機能絶縁を必要とするアプリケーション（例：産業用I/O、医療機器、自動車システム）では、絶縁された負電圧の生成が必須です。トランスをベースとしたDC/DCコンバータは、通常、フライバック（図3）またはプッシュプルトポロジを採用しており、絶縁バリアを介してエネルギーを伝達し、入力側と電気的に分離された負の電圧を生成します。

図3：この回路図は、複数の出力巻線を備えた典型的なフライバックコンバータを示しています。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

LT3758は、昇圧、SEPIC（シングルエンドプライマリインダクタコンバータ）、フライバック、および反転トポロジ向けに設計された高性能DC/DCコントローラです。フライバックトランスを使用して、絶縁された負レールを生成するように構成可能であり、最大100Vの調整可能な負の出力電圧を供給できます。オプトカプラは不要ですが、そのような場合、安定化されていない負電圧が生成されます。出力に負の入力LDOレギュレータを追加することで、安定化された負電圧を得ることができます。

基板スペースが限られ、柔軟性が不可欠なマルチレールアプリケーションにおいて、設計者はADIのLT8471を選択することができます。この汎用性の高いデュアルチャンネルコントローラは、各チャンネルを昇圧、昇降圧、SEPIC、またはフライバックとして独立して構成可能です。これにより、正負両方の出力電圧の幅広い組み合わせが可能になります。たとえば、1つのチャンネルは+12Vを生成し、2つ目のチャンネルは-12Vを生成することが可能です。または、1つのチャンネルを+24Vへの昇圧、2つ目のチャンネルを-5Vの絶縁型フライバックとして構成することもできます。 これにより、設計者は基板スペースと部品表を削減できます。

一部のアプリケーション、特にパワーMOSFETを駆動する用途では、安全かつ効率的なスイッチングを実現するために、負のゲート駆動電圧が必要となります。 ADuM4120は、ゲートソース端子に負電圧を使用可能な絶縁型ゲートドライバです。この製品は、ハイサイドスイッチングやハーフブリッジ設計において特に有用です（図4）。

図4：この回路設計では、ADuM4120はバイポーラ電源セットアップを駆動します。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

市場投入までの時間と基板スペースが重要な場合、設計者はADIのµModuleレギュレータを活用することで、負レール設計を簡素化できます。LTM4655は、完全統合型の反転昇降圧µModuleレギュレータです。この製品は、安定化された負または正の出力に構成可能な、完全に独立したデュアル出力チャンネルを備えています。

まとめ

モノのインターネット（IoT）デバイス、産業用センサ、精密機器、さらには医療機器では、正と負の電圧レールを必要とすることが珍しくありません。 シンプルさを重視するチャージポンプであれ、効率を重視するスイッチャであれ、適切なトポロジを選択することで、設計者は、大きな複雑さを追加することなく現代のシステムに負電圧を統合することができます。 ADIの幅広い製品ポートフォリオとリファレンス設計は、設計者が当て推量に頼ることなく、最適なソリューションを見つけるのに役立ちます。